KR20090124259A - Method for making nanostructured metal-ceramic composite - Google Patents

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KR20090124259A
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손인진
김병량
박정환
윤진국
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전북대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a nano-structured metal ceramic is provided to inhibit the growth of the crystal grain of metal ceramics and to improve the interface adhesion. CONSTITUTION: A method for manufacturing a nano-structured metal ceramic comprises the steps of ball milling a mixture of any one of a specific metal carbide or a specific metal nitride and a specific metal powder to obtain a nanoparticle; press molding and sintering the nano-structured mixture with applying the heat generated by the induction current or the impulse current; and blocking the induction current or the impulse current if there is no change of the shrinkage length of the nano-structured mixture, and cooling the press molded and sintered nano-structured mixture to a room temperature just before the induction current or the impulse current is blocked.

Description

나노구조 메탈세라믹 제조 방법{METHOD FOR MAKING NANOSTRUCTURED METAL-CERAMIC COMPOSITE}METHOD FOR MAKING NANOSTRUCTURED METAL-CERAMIC COMPOSITE}

본 발명은 메탈세라믹 제조 방법에 관한 것이며, 더욱 상세히는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal ceramic manufacturing method, and more particularly to a nanostructure metal ceramic manufacturing method.

메탈세라믹은 금속산화물, 금속탄화물, 금속질화물 등을 특정 금속 분말과 혼합하여 가압성형 및 소결한 고강도/고인성 재료로 금속요업품이라고도 하며, 열간 압축(Hot Pressing) 성형기, 열간 정수압(HIP; Hot isostatic pressing) 성형기 등을 이용하여 제조한다.Metal ceramic is a high strength / high toughness material that is press-formed and sintered by mixing metal oxide, metal carbide, metal nitride, etc. with specific metal powder. Also called metal ceramics, hot pressing machine, hot hydrostatic pressure (HIP; Hot) isostatic pressing).

예컨대, 기존의 메탈세라믹은 금속산화물, 금속탄화물 등과 특정 금속 분말의 혼합물의 입자 크기에 따라서 차이가 있기는 하지만, 통상적으로 상기 혼합물을 열간 압축 성형기나 열간 정수압 성형기에 투입한 후, 대략 1000℃ 이상의 고온에서 1시간 이상을 가열해서 가압성형 및 소결하여 제조한다.For example, conventional metal ceramics are different depending on the particle size of a mixture of a metal oxide, a metal carbide, and a specific metal powder, but generally, the mixture is introduced into a hot compression molding machine or a hot hydrostatic pressure molding machine, and then is about 1000 ° C. or more. It is produced by pressing and sintering by heating at least 1 hour at high temperature.

실제로, 텅스텐 카바이드/코발트(WC/Co) 메탈세라믹은 금속탄화물인 텅스텐 카바이드(WC) 분말과 코발트(Co) 분말의 혼합물을 열간 압축 성형기에서 대략 1400℃에서 1시간을 가열하여 가압성형 및 소결하여 제조한다.In practice, tungsten carbide / cobalt (WC / Co) metal ceramics are press-molded and sintered by heating a mixture of tungsten carbide (WC) powder and cobalt (Co) powder, which is a metal carbide, at a temperature of approximately 1400 ° C. in a hot compression molding machine for 1 hour. Manufacture.

상기한 바와 같이 금속산화물, 금속탄화물, 금속질화물 등과 특정 금속 분말의 혼합물을 고온에서 장시간 가열해서 가압성형 및 소결하면 제조되는 메탈세라믹의 결정립이 성장하므로 메탈세라믹의 입자 크기가 커지는 단점이 있다.As described above, when a mixture of a metal oxide, a metal carbide, a metal nitride, and the like and a specific metal powder is heated at a high temperature for a long time and press-molded and sintered, crystal grains of the metal ceramic produced are grown, so that the particle size of the metal ceramic is increased.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 특정 금속탄화물이나 특정 금속질화물 중 어느 하나와 특정 금속 분말의 혼합물 혹은 특정 금속산화물과 특정 금속 분말의 혼합물을 입자 크기가 나노구조를 가지도록 볼밀링법으로 나노분말화한 후, 상기 나노구조 혼합물에 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 가하면서 상기 나노구조 혼합물의 수축길이 변화가 없을 때까지 상기 나노구조 혼합물을 가압성형 및 소결하여 입자 크기가 나노구조를 가지는 메탈세라믹을 제조하는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a mixture of a specific metal carbide or a specific metal nitride and a specific metal powder or a mixture of a specific metal oxide and a specific metal powder with a nanoparticle size. After nanopowdering by ball milling to have a structure, pressurizing the nanostructure mixture until there is no change in shrinkage length of the nanostructure mixture while applying heat generated by an induced current or a pulse current to the nanostructure mixture. It is to provide a nanostructure metal ceramic manufacturing method for forming a metal ceramic having a nanostructure of the particle size by molding and sintering.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법은, 특정 금속탄화물 또는 특정 금속질화물 중 어느 하나와 특정 금속 분말의 혼합물을 입자 크기가 나노구조를 가지도록 볼밀링법으로 나노분말화하는 제1과정과; 상기 나노구조 혼합물에 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 가하면서 상기 나노구조 혼합물을 가압성형 및 소결하는 제2과정; 및 상기 나노구조 혼합물의 수축길이 변화가 없으면 유도전류나 펄스 전류를 차단하고 상기 유도전류나 펄스 전류 차단 직전까지 가압성형 및 소결된 상기 나노구조 혼합물을 상온으로 냉각하는 제3과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, the nanostructured metal ceramic manufacturing method according to the present invention, a mixture of any one of a specific metal carbide or a specific metal nitride and a specific metal powder to see the particle size having a nanostructure. A first process of nanopowdering by milling; Pressurizing and sintering the nanostructure mixture while applying heat generated by an induced current or a pulse current to the nanostructure mixture; And a third step of blocking the induced current or the pulse current when the shrinkage length of the nanostructure mixture is not changed, and cooling the pressed and sintered nanostructure mixture to room temperature until just before the induction current or the pulse current is blocked. It is done.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 또 다른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법은, 특정 금속산화물과 특정 금속 분말의 혼합물을 볼밀링법으로 나노분말화하는 제1과정과; 상기 나노구조 혼합물에 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 가하면서 상기 나노구조 혼합물을 가압성형 및 소결하는 제2과정; 및 상기 나노구조 혼합물의 수축길이 변화가 없으면 유도전류나 펄스 전류를 차단하고 상기 유도전류나 펄스 전류 차단 직전까지 가압성형 및 소결된 상기 나노구조 혼합물을 상온으로 냉각하는 제3과정;으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention as described above, another nanostructured metal ceramic manufacturing method according to the present invention, the first step of nano-powdering a mixture of a specific metal oxide and a specific metal powder by a ball milling method; Pressurizing and sintering the nanostructure mixture while applying heat generated by an induced current or a pulse current to the nanostructure mixture; And a third step of blocking the induced current or the pulse current when the shrinkage length of the nanostructure mixture is not changed, and cooling the pressed and sintered nanostructure mixture to room temperature until just before the induction current or the pulse current is blocked. It is done.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법에 의하면 입자 크기가 나노구조를 가지도록 볼밀링법으로 나노분말화한 혼합물에 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 가하므로, 수분(예컨대, 2∼5분) 이내로 고온의 가압성형 및 소결 작업을 수행할 수 있으며, 그 결과 종래에 비해 메탈세라믹의 결정립 성장은 더 제한하고 계면 접합성은 더 향상시키면서 저렴하게 나노구조 메탈세라믹을 제조할 수 있다.According to the method for manufacturing a nanostructured metal ceramic according to the present invention as described above, since the heat generated by the induced current or the pulse current is applied to the mixture nano-powdered by the ball milling method so that the particle size has the nanostructure, the moisture ( For example, high temperature pressing and sintering operations can be performed within 2 to 5 minutes. As a result, it is possible to produce nanostructured metal ceramics at low cost while further limiting grain growth and improving interfacial bonding property as compared with the conventional art. Can be.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법은 다음과 같이 수행된다.Nanostructured metal ceramic manufacturing method according to the present invention is carried out as follows.

먼저, 특정 금속탄화물 또는 특정 금속질화물 중 어느 하나와 특정 금속 분 말의 혼합물을 입자 크기가 나노구조를 가지도록 볼밀링법으로 나노분말화거나, 혹은 특정 금속산화물과 특정 금속 분말의 혼합물을 볼밀링법으로 나노분말화한다.First, a mixture of one of a specific metal carbide or a specific metal nitride and a specific metal powder is nanopowdered by a ball milling method so that the particle size has a nanostructure, or a ball mill of a mixture of a specific metal oxide and a specific metal powder. Nanopowdered by the method.

상기 금속탄화물은 탄화티타늄(TiC), 탄화철(Fe3C), 탄화알루미늄(Al4C3) 등을 사용할 수 있으며, 상기 금속질화물은 질화티타늄(TiN), 질화철(Fe4N), 질화알루미늄(AlN) 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 금속탄화물 혹은 금속질화물과 혼합되는 금속 분말은 규소(Si) 분말을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 금속탄화물 1∼99중량% 혹은 금속질화물 1∼99중량%와 혼합되는 금속 분말은 규소(Si) 분말 1∼99중량%를 사용할 수 있다.The metal carbide may be titanium carbide (TiC), iron carbide (Fe 3 C), aluminum carbide (Al 4 C 3 ), and the like, and the metal nitride may be titanium nitride (TiN), iron nitride (Fe 4 N), or nitride. Aluminum (AlN) etc. can be used. In addition, the metal powder mixed with the metal carbide or metal nitride may be silicon (Si) powder, preferably the metal powder mixed with 1 to 99% by weight of the metal carbide or 1 to 99% by weight of the metal nitride is silicon 1 to 99% by weight of (Si) powder can be used.

상기 금속산화물은 일산화티타늄(TiO), 이산화티타늄(TiO2), 삼산화티타늄(Ti2O3), 일산화철(FeO), 이산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO) 등을 사용할 수 있다. 상기 금속산화물과 혼합되는 금속 분말은 알루미늄(Al) 분말을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 금속산화물 1∼99중량%와 혼합되는 금속 분말은 알루미늄(Al) 분말 1∼99중량%를 사용할 수 있다.The metal oxide may be titanium monoxide (TiO), titanium dioxide (TiO 2 ), titanium trioxide (Ti 2 O 3 ), iron monoxide (FeO), iron dioxide (Fe 2 O 3 ), nickel oxide (NiO) and the like. have. As the metal powder mixed with the metal oxide, aluminum (Al) powder may be used. Preferably, the metal powder mixed with 1 to 99% by weight of the metal oxide may use 1 to 99% by weight of aluminum (Al) powder. .

상기와 같은 금속탄화물과 규소 분말의 혼합물 혹은 금속질화물과 규소 분말의 혼합물, 또는 금속산화물과 알루미늄 분말의 혼합물은 나노구조 메탈세라믹 제조와 고상 치환 반응 속도를 빠르게 하기 위해서, 입자 크기가 100㎚ 이하가 되도록 나노분말화하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 이들 혼합물을 나노분말화할 수 있는 방법이면 그 어떤 방법도 적용할 수 있으며, 특히 볼밀링법으로 이들 혼합 물을 나노분말화하는 것이 가장 바람직하다. 상기 볼밀링법은 여타의 다른 분쇄법과는 달리 분말 제조시 가해지는 에너지가 충분히 커 분말을 나노화하는데 적합하다.Such a mixture of metal carbide and silicon powder, or a mixture of metal nitride and silicon powder, or a mixture of metal oxide and aluminum powder has a particle size of 100 nm or less in order to speed up nanostructure metal ceramic production and solid phase substitution reaction rate. Preferably, nanopowdered. In the present invention, any method may be applied as long as it is a method capable of nanopowdering these mixtures. Particularly, it is most preferable to nanopowderize these mixtures by a ball milling method. Unlike other milling methods, the ball milling method is suitable for nano- ning powders because the energy applied during powder production is sufficiently large.

상기와 같이 나노분말화된 혼합물에는 이후 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열과 압력이 가해지며, 이로써 상기 나노구조 혼합물이 고상 치환 반응하면서 가압성형 및 소결되어 나노구조 메탈세라믹이 제조된다. 이때, 상기 나노구조 메탈세라믹 제조는 대기상태나 진공상태에서 이루어지는 것이 좋으며, 상기 진공상태는 재료에 따라 달리 설정할 수 있으나 0.01∼1torr로 유지하는 것이 좋으며, 가장 바람직하게는 금속의 산화를 억제시키기 위해서 0.04torr를 유지하는 것이 좋다.The nanopowder mixture as described above is then subjected to heat and pressure generated by an induced current or a pulse current, whereby the nanostructure mixture is press-molded and sintered during a solid phase substitution reaction to prepare a nanostructure metal ceramic. In this case, the nano-structured metal ceramic is preferably made in an atmospheric state or a vacuum state, the vacuum state may be set differently depending on the material, but preferably maintained at 0.01 to 1 torr, most preferably in order to suppress oxidation of metals. Maintain 0.04torr.

또한, 상기 압력은 10∼1000MPa로 부가되는 것이 바람직하나 상압에서도 가능하다. 상기 압력 범위가 10MPa 미만일 경우에는 시편을 충분히 치밀화할 수 없다는 문제점이 있으며, 1000MPa를 초과할 경우에는 나노구조 메탈세라믹 제조용 장치제작 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.The pressure is preferably added at 10 to 1000 MPa, but can be at normal pressure. If the pressure range is less than 10MPa, there is a problem that the specimen can not be sufficiently densified, and if it exceeds 1000MPa there is a problem that the cost of manufacturing a device for manufacturing a nanostructured metal ceramic.

또한, 상기와 같은 압력이 부가되는 상태에서 상기 나노구조 혼합물에 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 가하여 가압성형 및 소결하게 되는데, 구체적으로 상기 나노구조 혼합물의 외부에 접하지 않으면서 그 주위를 둘러싸고 있는 외부 코일(예컨대, 구리 코일과 같은 도전성 금속 코일)에 고주파 유도전류를 인가하고, 이 유도전류에 의해 발생하는 주울 열에 의해 나노구조 혼합물을 간접적으로 가열하여 가압성형 및 소결하거나, 혹은 나노구조 혼합물이 수용된 다이 부재 에 인가되는 펄스 전류에 의해 발생하는 주울 열에 의해 나노구조 혼합물을 가열하여 가압성형 및 소결한다.In addition, in the state in which the pressure is added, the nanostructure mixture is subjected to press molding and sintering by applying heat generated by an induction current or a pulse current, and specifically, without being in contact with the outside of the nanostructure mixture. Applying a high frequency induction current to an outer coil (e.g., a conductive metal coil such as a copper coil) that surrounds and press forming and sintering by indirectly heating the nanostructure mixture by Joule heat generated by the induced current, or The nanostructure mixture is heated, press-formed and sintered by Joule heat generated by the pulse current applied to the die member in which the structure mixture is received.

여기서, 상기 외부 코일에 인가되는 고주파 유도전류의 주파수는 1KHz∼100KHz인 것이 바람직하며, 펄스 전류의 주기는 1㎲∼1㎳인 것이 바람직하다. 이때, 유도전류의 주파수 범위는 고주파 전류의 침투 깊이는 주파수에 의존하기 때문에 시편의 크기에 따라 적당하게 조정해야 한다. 또한, 상기 고주파 유도전류에 의해 간접적으로 발생하는 열이나 펄스전류에 의해 발생하는 열에 의한 가열속도는 100∼5000℃/min로 설정하는 것이 좋다. 상기 가열속도가 100℃/min 미만일 경우에는 소결하는 시간이 많이 걸려서 결정립이 성장하는 문제점이 있고, 5000℃/min을 초과할 경우에는 가열속도가 빨라서 시편에 열 응력이 발생하는 문제점이 있다.Here, the frequency of the high frequency induction current applied to the external coil is preferably 1 KHz to 100 KHz, and the period of the pulse current is preferably 1 Hz to 1 Hz. At this time, the frequency range of the induced current should be properly adjusted according to the size of the specimen because the penetration depth of the high frequency current depends on the frequency. In addition, the heating rate by heat generated indirectly by the high frequency induction current or heat generated by the pulse current is preferably set to 100 to 5000 ° C / min. If the heating rate is less than 100 ℃ / min takes a long time to sinter the crystal grains, there is a problem that the heating rate is faster than 5000 ℃ / min there is a problem that the thermal stress occurs in the specimen.

상기와 같은 유도전류 가열/가압 소결법 혹은 펄스 전류 가열/가압 소결법으로 상기 나노구조 혼합물을 가열하면서 가압성형 및 소결할 때, 상기 나노구조 혼합물은 계속적으로 가해지는 압력에 의해 치밀화되면서 수축길이가 줄어들게 되고, 이러한 치밀화가 완료되어 더 이상이 수축길이 변화가 없게 되면, 이 시점에서 상기 유도전류나 펄스 전류를 차단하고 압력을 제거한다. When pressure forming and sintering the nanostructure mixture while heating the induction current heating / pressurizing sintering method or the pulse current heating / pressurizing sintering method as described above, the shrinkage length decreases while the nanostructure mixture is densified by the continuously applied pressure. When the densification is completed and there is no longer a change in contraction length, at this point, the induced current or pulse current is blocked and the pressure is removed.

상기와 같이 나노구조 혼합물에 압력 및 유도전류나 펄스 전류를 가하는 순간부터 나노구조 혼합물이 고상 치환 반응하고 완전히 치밀화되어 수축길이 변화가 더 이상 없는 시점에 압력 및 유도전류나 펄스전류가 제거되는 순간까지는 대략 2∼5분의 시간이 소요되므로, 본 발명에 따르면 혼합물 내에 기공 형성이 없이 치밀한 나노구조 메탈세라믹을 단시간에 제조할 수 있다.From the moment of applying pressure, induction current or pulse current to the nanostructure mixture as described above, from the moment when the nanostructure mixture reacts to solid phase and is fully densified, the moment when the pressure, induction current or pulse current is removed is no longer changed. Since it takes about 2 to 5 minutes, the present invention can produce a dense nanostructured metal ceramic in a short time without pore formation in the mixture.

그 다음, 상기 나노구조 혼합물을 상온으로 냉각하는 단계로, 상기 냉각은 통상의 방법에 따라 실시할 수 있다.Thereafter, the nanostructure mixture is cooled to room temperature, and the cooling may be performed according to a conventional method.

또한 상기와 같은 과정을 거치면 나노구조 메탈세라믹의 제조 후 후처리 공정이 필요치 않아 단일 공정만으로 단시간에 나노구조 메탈세라믹을 제조할 수 있다.In addition, the post-treatment process is not required after the nanostructure metal ceramic is manufactured through the above process, so that the nanostructure metal ceramic can be manufactured in a short time using only a single process.

상기와 같은 본 발명의 나노구조 메탈세라믹은 유도전류 가열/가압 소결기, 또는 펄스전류 가열/가압 소결기를 사용하여 제조할 수 있다.Nanostructured metal ceramic of the present invention as described above can be produced using an induction current heating / pressure sintering machine, or a pulse current heating / pressure sintering machine.

도 1은 본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법을 구현하기 위해 사용되는 유도전류 가열/가압 소결기이다.1 is an induction current heating / pressure sintering machine used to implement the nanostructure metal ceramic manufacturing method according to the present invention.

도 1을 참조하면, 유도전류 가열/가압 소결기(100)는 다이 부재(110)와, 가압 부재(120), 및 유도 전류 발생 부재(130)로 구성된다.Referring to FIG. 1, the induction current heating / pressurizing sinterer 100 includes a die member 110, a pressing member 120, and an induction current generating member 130.

상기 다이 부재(110)는 나노분말화된 금속탄화물과 규소 분말의 혼합물 혹은 금속질화물과 규소 분말의 혼합물, 또는 금속산화물과 알루미늄 분말의 혼합물 등의 나노구조 혼합물을 수납하기 위한 것으로, 흑연 다이인 것이 바람직하며, 내부에 관통공이 형성되어 있고 상기 관통공 내부에 나노구조 혼합물이 수납된다. 또한, 상기 다이 부재(110)에 나노구조 혼합물이 충전된 관통공 내부의 진공도는 0.01∼1torr가 되도록 유지하는 것이 좋다.The die member 110 accommodates nanostructure mixtures such as nanopowdered metal carbide and silicon powder mixtures, metal nitride and silicon powder mixtures, or metal oxides and aluminum powder mixtures. Preferably, a through hole is formed therein and the nanostructure mixture is accommodated in the through hole. In addition, it is preferable to maintain the vacuum degree inside the through hole filled with the nanostructure mixture in the die member 110 to be 0.01 to 1 torr.

상기 가압 부재(120)는 외부 압력 발생 장치로부터 전달된 압력을 상기 관통공 내부의 나노구조 혼합물에 가하기 위한 것으로, 관통공의 상,하부에 삽입 형성되어 상기 나노구조 혼합물에 일축 압력을 가하게 된다. 즉, 상기 가압 부재(120) 에 의해 가해진 압력으로 인해 상기 나노구조 혼합물이 치밀화되고, 이러한 치밀화의 완료 정도인 상기 나노구조 혼합물의 수축길이 변화를 측정하기 위하여 관통공과 가압 부재(120)가 이어지는 가동부분에 선형변위 차동변압기(LVDT; Linear Variable Differential Transformer)가 부착될 수 있다. 상기 가압 부재(120)를 통한 압력은 10∼1000MPa로 부가되는 것이 바람직하다.The pressing member 120 is to apply the pressure transmitted from the external pressure generating device to the nanostructure mixture inside the through hole, and is inserted into the upper and lower portions of the through hole to apply uniaxial pressure to the nanostructure mixture. That is, the nanostructure mixture is densified due to the pressure exerted by the pressing member 120, and the through hole and the pressing member 120 are operated in order to measure the change in shrinkage length of the nanostructure mixture, which is the degree of completion of the densification. A linear variable differential transformer (LVDT) may be attached to the portion. The pressure through the pressing member 120 is preferably added to 10 ~ 1000MPa.

상기 유도 전류 발생 부재(130)는 다이 부재(110)의 주변에 이격 배치되어 형성되며, 유도 전류를 발생시키는 작용을 한다. 상기 유도 전류 발생 부재(130)는 고주파 전류 코일로 이루어지며, 이들에게 가해진 전류에 의해 발생한 유도 전류에 의하여 다이 부재(110) 및 상기 나노구조 혼합물에 간접적으로 열이 가해져 나노구조 혼합물의 가열 성형 및 소결이 이루어진다.The induction current generating member 130 is formed to be spaced apart from the periphery of the die member 110, and serves to generate an induction current. The induction current generating member 130 is made of a high frequency current coil, indirect heat is applied to the die member 110 and the nanostructure mixture by the induction current generated by the current applied to them to form a heat-forming and Sintering takes place.

이때, 상기 유도 전류 주파수는 1KHz∼100KHz로 유도 코일에 흘려주는 것이 좋고, 이렇게 발생한 유도전류에 의한 가열속도는 100∼5000 ℃/min인 것이 좋다.At this time, the induction current frequency is preferably 1KHz ~ 100KHz flowing to the induction coil, the heating rate by the induced current generated in this way is preferably 100 ~ 5000 ℃ / min.

도 2는 본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법을 구현하기 위해 사용되는 펄스전류 가열/가압 소결기의 다이 어셈블리이다.2 is a die assembly of a pulsed current heating / pressurizing sintering machine used to implement the nanostructured metal ceramic manufacturing method according to the present invention.

통상의 펄스전류 가열/가압 소결기는 수냉 진공챔버, 다이 어셈블리, 펄스전류 공급장치, 가압장치, 진공장치, 냉각장치, 각종 제어 및 측정장치로 구성된다. 상기 수냉 진공챔버는 가열/가압성형 및 소결시 분위기 조절을 위한 용기로서, 스테인리스 재질로, 내부감시를 위한 투시창과 다이 어셈블리의 장착을 위한 도어를 구비하는 이중용기로 되어있으며, 그 내부로 냉각수가 흐른다.Conventional pulse current heating / pressure sintering machine is composed of a water-cooled vacuum chamber, a die assembly, a pulse current supply device, a pressurization device, a vacuum device, a cooling device, and various control and measuring devices. The water-cooled vacuum chamber is a container for controlling the atmosphere during heating / pressing molding and sintering. The water-cooled vacuum chamber is made of stainless steel, and has a double container having a viewing window for internal monitoring and a door for mounting the die assembly. Flow.

도 2를 참조하면, 이러한 펄스전류 가열/가압 소결기의 다이 어셈블리(200)는 고순도 흑연제의 펀치(210), 원통 다이(220) 및 알루미나와 같은 절연재질의 가압블록(230)으로 구성되며, 분말은 상하의 펀치(210)와 원통 다이(220)로 생기는 내부공간에 충전되고 공정 인자인 진공도는 약 0.01∼1torr가 바람직하며, 재료에 따라서는 대기에서도 가능하다. 펄스전류 공급장치(300)는 컨트롤 스위치(310) 조작에 의해 시편에 펄스전류를 공급하며, 가압장치는 가압블록(230)을 통해 다이 어셈블리(200)의 펀치(210)에 일축 압력을 가하는데, 그 유압실린더의 가동부분에는 시편의 길이 변화를 측정하는 선형변위 차동변압기(LVDT)가 부착된다. 상기 펀치(210)를 통한 압력은 시편을 충분히 치밀화시킬 수 있을 정도로 실험적으로 결정되며, 10∼1000MPa로 부가되는 것이 바람직하다. 펄스전류는 가열/가압성형 후 소결이 진행되는 동안 분말의 치밀화가 일어날 때까지 인가되며, 주기는 1㎲∼1㎳인 것이 좋고, 펄스전류에 의한 가열속도는 100∼5000 ℃/min인 것이 좋다. 진공장치와 냉각장치는 각각 통상적인 로터리펌프, 냉각수펌프 등이 이용될 수 있으며, 제어 및 측정 장치는 압력, 전류 등의 공정 인자를 제어하고, 공정 진행상의 각종 데이터를 측정한다.Referring to FIG. 2, the die assembly 200 of the pulse current heating / pressurizing sintering machine includes a punch 210 made of high purity graphite, a cylindrical die 220, and a pressure block 230 made of an insulating material such as alumina. The powder is filled in the inner space formed by the upper and lower punches 210 and the cylindrical die 220, and the vacuum degree, which is a process factor, is preferably about 0.01 to 1 torr, and may be in the air depending on the material. The pulse current supply device 300 supplies a pulse current to the specimen by the operation of the control switch 310, the pressurization device applies a uniaxial pressure to the punch 210 of the die assembly 200 through the pressure block 230, On the moving part of the hydraulic cylinder is fitted a linear displacement differential transformer (LVDT) which measures the change in length of the specimen. The pressure through the punch 210 is determined experimentally enough to sufficiently densify the specimen, and is preferably added at 10 to 1000 MPa. The pulse current is applied until the densification of the powder occurs during sintering after heating / pressing molding, and the period is preferably 1 Pa to 1 Pa, and the heating rate by the pulse current is preferably 100 to 5000 ° C./min. . Conventional rotary pumps and cooling water pumps may be used as the vacuum device and the cooling device, respectively. The control and measurement device controls process factors such as pressure and current, and measures various data in process progress.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제시하나, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid the understanding of the present invention, but the following examples are merely to illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예1]Example 1

입자크기가 각각 43㎛인 이산화티타늄(TiO2)과 알루미늄(Al) 원료분말을 볼밀링을 이용하여 약 37㎚ 크기를 갖는 나노 분말로 제조하였다. 이 나노 분말을 도 1의 다이 부재(110)의 흑연 다이에 충전한 후, 60MPa의 기계적 압력을 가해주고 0.04torr의 진공분위기를 만들어주었다.Titanium dioxide (TiO 2 ) and aluminum (Al) raw powders each having a particle size of 43 μm were prepared into a nanopowder having a size of about 37 nm using ball milling. After filling the nano-powder in the graphite die of the die member 110 of FIG. 1, a mechanical pressure of 60 MPa was applied and a vacuum atmosphere of 0.04 torr was made.

계속적으로 60MPa의 압력이 가해지는 상태에서 외부 코일, 즉 도 1의 유도 전류 발생 부재(130)에 14.4㎾의 전류를 인가하여 고주파 유도전류 가열/가압 소결을 시작하였다. 이때, 유도전류 가열에 의해 발생한 주울 열에 의한 가열속도는 800℃/min이 되도록 하였다.In the state of continuously applying a pressure of 60 MPa, a high frequency induction current heating / pressurization sintering was started by applying a current of 14.4 mA to the external coil, that is, the induction current generating member 130 of FIG. 1. At this time, the heating rate by Joule heat generated by the induction current heating was to be 800 ℃ / min.

가열/가압성형 시작 후 소결이 진행되는 동안 시편의 수축길이 변화를 선형변위 차동변압기(LVDT)로 관찰하여 길이 변화가 없이 안정화되는 시점에서 유도전류와 압력을 제거하고, 상온으로 냉각하여 최종적으로 티타늄(Ti)과 산화알루미늄(Al2O3) 결정립 크기가 각각 90㎚와 30nm인 티타늄-산화알루미늄(Ti-Al2O3) 세라믹을 수득하였다.After sintering is started after heating / pressing molding, the shrinkage length change of the specimen is observed with a linear displacement differential transformer (LVDT) to remove the induced current and pressure at the point of stabilization without changing the length, and to cool to room temperature (Ti) and aluminum (Al 2 O 3) crystal grain size of each 90㎚ and 30nm of titanium oxide-aluminum oxide (Ti-Al 2 O 3) to give the ceramic.

상기 실시예1에서 이산화티타늄(TiO2)과 알루미늄(Al) 원료분말을 볼밀링한 후, 고주파 유도전류 가열/가압 소결 전, 및 고주파 유도전류 가열/가압 소결 후의 온도변화와 수축길이 변화, SEM(Scanning Electron Microscope) 사진, 및 XRD(X-ray diffraction) 패턴을 각각 도 3 내지 도 5에 나타내었다.After ball milling the titanium dioxide (TiO 2 ) and aluminum (Al) raw powder in Example 1, before the high frequency induction current heating / pressure sintering, and after the high frequency induction current heating / pressure sintering change of temperature and shrinkage length, SEM (Scanning Electron Microscope) photographs and XRD (X-ray diffraction) patterns are shown in FIGS. 3 to 5, respectively.

도 3은 고주파 유도전류 가열/가압 소결에 의한 가열시간에 따른 온도변화(■)와 수축변위(●)를 나타낸 것으로, 직선으로 수축길이가 변화하기 전(가열/가 압 소결 전)의 수축길이 변화는 도 4와 도 5를 통하여 알 수 있듯이 최종 생성물상인 티타늄-산화알루미늄(Ti-Al2O3) 세라믹 상이 나타나지 않았으나, 직선으로 수축길이가 변화한 후(가열/가압 소결 후)에는 티타늄-산화알루미늄(Ti-Al2O3) 세라믹 상이 형성됨을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는, 도 3으로부터 알 수 있듯이 본 발명에 따라 고주파 유도전류 가열/가압 소결법을 이용하여 2분 이내의 짧은 시간에 기공이 거의 없는 치밀한 나노구조의 메탈세라믹을 제조하였음을 나타내는 것이다.Figure 3 shows the temperature change (■) and shrinkage displacement (●) according to the heating time by high frequency induction current heating / pressure sintering, the shrinkage length before the shrinkage length in a straight line (before heating / pressure sintering) 4 and 5, the final product phase of titanium-aluminum oxide (Ti-Al 2 O 3 ) ceramic phase did not appear, but after the shrinkage length was changed linearly (after heating / pressurizing sintering), the titanium- It was found that an aluminum oxide (Ti-Al 2 O 3 ) ceramic phase was formed. As can be seen from FIG. 3, the present invention indicates that a metal nanoparticle having a dense nano structure having almost no pores was produced in a short time within 2 minutes by using a high frequency induction current heating / pressurizing sintering method according to the present invention.

도 4의 (a)는 볼밀링 후의 약 37㎚의 원료분말을 나타낸 SEM 사진이고, 도 4의 (b)는 가열/가압 소결 후의 SEM 사진이다. 도 4의 (a)에서는 볼밀링 후 차이가 없이 이산화티타늄(TiO2) 및 알루미늄(Al)만 존재하였으나, 가열/가압 소결 후에는 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 최종 생성물이 티타늄-산화알루미늄(Ti-Al2O3) 세라믹으로 원하는 상이 얻어졌으며, 이로부터 직선으로 수축길이 변화 후 가열/가압 소결이 완료되었음을 알 수 있었다.FIG. 4A is an SEM photograph showing a raw material powder of about 37 nm after ball milling, and FIG. 4B is an SEM photograph after heating / pressurizing sintering. In (a) of FIG. 4, only titanium dioxide (TiO 2 ) and aluminum (Al) were present without difference after ball milling, but after heating / pressurizing sintering, as shown in (b) of FIG. 4, the final product was titanium-oxidized. The desired phase was obtained with an aluminum (Ti-Al 2 O 3 ) ceramic, from which it can be seen that the heating / pressing sintering was completed after the shrinkage length was changed linearly.

도 5는 XRD 패턴을 나타낸 사진으로, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 볼밀링 후에는 가열/가압 소결이 일어나지 않아 이산화티타늄(TiO2) 및 알루미늄(Al) 상 외에 다른 피크(peak)를 관찰할 수 없었으나, 도 5의 (b)와 같이 가열/가압 소결에 의해 직선으로 수축길이 변화가 완료된 후에는 본 발명에서 목적하는 티타늄-산화알루미늄(Ti-Al2O3) 세라믹 상이 형성되었음을 확인할 수 있었고, 반응하지 않은 이산화티타늄(TiO2) 및 알루미늄(Al) 피크는 관찰되지 않아 고상 치환 반응이 완료되 었음을 알 수 있었다.FIG. 5 is a photograph showing an XRD pattern, and as shown in FIG. 5A, heating / pressurization sintering does not occur after ball milling, and thus other peaks other than the titanium dioxide (TiO 2 ) and aluminum (Al) phases are shown. Although it could not be observed, the titanium-aluminum oxide (Ti-Al 2 O 3 ) ceramic phase of the present invention is formed after the change in shrinkage length in a straight line by heating / pressing sintering as shown in FIG. It was confirmed that the unreacted titanium dioxide (TiO 2 ) and aluminum (Al) peaks were not observed, indicating that the solid phase replacement reaction was completed.

[실시예2]Example 2

상기 펄스전류 가열/가압 소결기를 이용한 나노구조 메탈세라믹 제조 방법은 5단계로 이루어지며, 각 단계는 다음과 같다.Nanostructure metal ceramic manufacturing method using the pulse current heating / pressure sintering machine is made of five steps, each step is as follows.

1 단계: 분말을 볼밀링으로 100nm이하의 크기로 만든다.Step 1: The powder is ball milled to a size of 100 nm or less.

2 단계: 볼밀링한 나노 분말을 흑연 다이, 즉 도 2의 원통 다이(220)에 충전하여 장착하고, 약 0.4torr의 진공상태로 만든다.Step 2: The ball milled nanopowder is filled and mounted in a graphite die, ie, the cylindrical die 220 of FIG. 2, and brought to a vacuum of about 0.4 torr.

3 단계: 나노 분말에 60MPa의 압력을 부가해서 성형체를 만든다.Step 3: Applying a pressure of 60 MPa to the nano powder to form a molded body.

4 단계: 성형체에 계속적으로 60MPa의 압력이 부가되는 상태에서, 일정한 펄스전류를 상기 흑연 다이와 시편에 인가해 주울 열에 의해 2000℃/min의 가열속도로 시편을 가열하고, 이때 가열/가압성형 시작 후 소결이 진행되는 동안 시편의 수축길이 변화를 선형변위 차동변압기(LVDT)로 관찰하여 길이 변화가 없이 안정화되는 시점에서 펄스전류와 압력을 제거한다.Step 4: Applying a constant pulse current to the graphite die and the specimen by continuously applying a pressure of 60 MPa to the molded body, heating the specimen at a heating rate of 2000 ° C./min by Joule heat, and after the start of heating / pressing molding During sintering, the change in shrinkage length of the specimen is observed with a linear displacement differential transformer (LVDT) to remove the pulse current and pressure at the point of stabilization without change in length.

5 단계: 시편을 상온까지 냉각한다.Step 5: Cool the specimen to room temperature.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.The method for producing a nanostructured metal ceramic according to the present invention described above is not limited to the above embodiments, and has a general knowledge in the field of the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims. Anyone who grows has the technical spirit to the extent that anyone can make various changes.

도 1은 본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법을 구현하기 위해 사용되는 유도전류 가열/가압 소결기.1 is an induction current heating / pressure sintering machine used to implement the nanostructure metal ceramic manufacturing method according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 나노구조 메탈세라믹 제조 방법을 구현하기 위해 사용되는 펄스전류 가열/가압 소결기의 다이 어셈블리.2 is a die assembly of a pulsed current heating / pressurizing sintering machine used to implement the nanostructured metal ceramic manufacturing method according to the present invention.

도 3은 유도전류에 의한 가열시간에 따른 온도변화(■)와 수축변위(●)를 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the temperature change (■) and shrinkage displacement (●) according to the heating time by the induced current.

도 4는 볼밀링법으로 나노분말화 한 혼합물(a)의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진과 유도전류에 의한 가열/가압 소결 후 제조된 나노구조 메탈세라믹(b)의 SEM 사진.4 is a SEM (Scanning Electron Microscope) photograph of the nanopowder powdered by a ball milling method and a SEM photograph of the nanostructured metal ceramic (b) prepared after heating / pressurizing sintering by an induction current.

도 5는 볼밀링법으로 나노분말화 한 혼합물(a)과 유도전류에 의한 가열/가압 소결 후 제조된 나노구조 메탈세라믹(b)의 XRD(X-ray diffraction) 패턴.5 is an XRD (X-ray diffraction) pattern of a nanostructured metal ceramic (b) prepared after heating / pressurizing sintered by a mixture (a) and an induction current nanopowdered by a ball milling method.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100: 유도전류 가열/가압 소결기 110: 다이 부재100: induction current heating / pressure sintering machine 110: die member

120: 가압 부재 130: 유도 전류 발생 부재120: pressing member 130: induction current generating member

200: 다이 어셈블리 210: 펀치200: die assembly 210: punch

220: 원통 다이 230: 가압블록220: cylindrical die 230: pressure block

300: 펄스전류 공급장치 310: 컨트롤 스위치300: pulse current supply device 310: control switch

Claims (6)

특정 금속탄화물 또는 특정 금속질화물 중 어느 하나와 특정 금속 분말의 혼합물을 입자 크기가 나노구조를 가지도록 볼밀링법으로 나노분말화하는 제1과정과;A first process of nanopowdering a mixture of any one of a specific metal carbide or a specific metal nitride and a specific metal powder by a ball milling method so that the particle size has a nanostructure; 상기 나노구조 혼합물에 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 가하면서 상기 나노구조 혼합물을 가압성형 및 소결하는 제2과정; 및Pressurizing and sintering the nanostructure mixture while applying heat generated by an induced current or a pulse current to the nanostructure mixture; And 상기 나노구조 혼합물의 수축길이 변화가 없으면 유도전류나 펄스 전류를 차단하고 상기 유도전류나 펄스 전류 차단 직전까지 가압성형 및 소결된 상기 나노구조 혼합물을 상온으로 냉각하는 제3과정;A third step of blocking the induced current or the pulse current if there is no change in the shrinkage length of the nanostructure mixture, and cooling the pressed and sintered nanostructure mixture to room temperature until immediately before the induced current or the pulse current is blocked; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법.Nanostructured metal ceramic manufacturing method, characterized in that consisting of. 제 1 항에 있어서, 상기 제1과정에서는The method of claim 1, wherein 탄화티타늄(TiC), 탄화철(Fe3C), 탄화알루미늄(Al4C3) 중 어느 하나 1∼99중량%와 규소(Si) 분말 1∼99중량%의 혼합물, 또는 질화티타늄(TiN), 질화철(Fe4N), 질화알루미늄(AlN) 중 어느 하나 1∼99중량%와 규소(Si) 분말 1∼99중량%의 혼합물을 볼밀링법으로 입자 크기가 100㎚ 이하가 되도록 나노분말화하는 것을 특징으로 하는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법.A mixture of 1 to 99% by weight of any one of titanium carbide (TiC), iron carbide (Fe 3 C) and aluminum carbide (Al 4 C 3 ) and 1 to 99% by weight of silicon (Si) powder, or titanium nitride (TiN), Nanopowdering a mixture of 1 to 99% by weight of any one of iron nitride (Fe 4 N) and aluminum nitride (AlN) and 1 to 99% by weight of silicon (Si) powder so that the particle size is 100 nm or less. Nanostructured metal-ceramic manufacturing method characterized in that. 제 1 항에 있어서, 상기 제2과정에서는The method of claim 1, wherein in the second process 상기 나노구조 혼합물에 1KHz∼100KHz의 주파수를 갖는 유도전류나 주기가 1㎲∼1㎳인 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 100∼5000℃/min의 속도로 가하면서 상기 나노구조 혼합물을 압력 10∼1000MPa로 가압성형 및 소결하는 것을 특징으로 하는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법.The nanostructure mixture was subjected to a pressure of 10 to 10 while applying heat generated by an induced current having a frequency of 1 KHz to 100 KHz or a pulse current having a period of 1 Hz to 1 Hz at a rate of 100 to 5000 ° C./min. Method for producing a nanostructured metal ceramic, characterized in that the pressing and sintering at 1000MPa. 특정 금속산화물과 특정 금속 분말의 혼합물을 볼밀링법으로 나노분말화하는 제1과정과;A first step of nanopowdering a mixture of a specific metal oxide and a specific metal powder by a ball milling method; 상기 나노구조 혼합물에 유도전류나 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 가하면서 상기 나노구조 혼합물을 가압성형 및 소결하는 제2과정; 및Pressurizing and sintering the nanostructure mixture while applying heat generated by an induced current or a pulse current to the nanostructure mixture; And 상기 나노구조 혼합물의 수축길이 변화가 없으면 유도전류나 펄스 전류를 차단하고 상기 유도전류나 펄스 전류 차단 직전까지 가압성형 및 소결된 상기 나노구조 혼합물을 상온으로 냉각하는 제3과정;A third step of blocking the induced current or the pulse current if there is no change in the shrinkage length of the nanostructure mixture, and cooling the pressed and sintered nanostructure mixture to room temperature until immediately before the induced current or the pulse current is blocked; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법.Nanostructured metal ceramic manufacturing method, characterized in that consisting of. 제 4 항에 있어서, 상기 제1과정에서는The method of claim 4, wherein in the first step 일산화티타늄(TiO), 이산화티타늄(TiO2), 삼산화티타늄(Ti2O3), 일산화철(FeO), 이산화철(Fe2O3), 산화니켈(NiO) 중 어느 하나 1∼99중량%와 알루미늄(Al) 분말 1∼99중량%의 혼합물을 볼밀링법으로 입자 크기가 100㎚ 이하가 되도록 나노분말화하는 것을 특징으로 하는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법.1 to 99% by weight of any one of titanium monoxide (TiO), titanium dioxide (TiO 2 ), titanium trioxide (Ti 2 O 3 ), iron monoxide (FeO), iron dioxide (Fe 2 O 3 ), and nickel oxide (NiO) And nano-powdering the mixture of 1 to 99% by weight of aluminum (Al) powder so as to have a particle size of 100 nm or less by a ball milling method. 제 4 항에 있어서, 상기 제2과정에서는The method of claim 4, wherein in the second process 상기 나노구조 혼합물에 1KHz∼100KHz의 주파수를 갖는 유도전류나 주기가 1㎲∼1㎳인 펄스 전류에 의해 발생하는 열을 100∼5000℃/min의 속도로 가하면서 상기 나노구조 혼합물을 압력 10∼1000MPa로 가압성형 및 소결하는 것을 특징으로 하는 나노구조 메탈세라믹 제조 방법.The nanostructure mixture was subjected to a pressure of 10 to 10 while applying heat generated by an induced current having a frequency of 1 KHz to 100 KHz or a pulse current having a period of 1 Hz to 1 Hz at a rate of 100 to 5000 ° C./min. Method for producing a nanostructured metal ceramic, characterized in that the pressing and sintering at 1000MPa.
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KR1020080050359A KR20090124259A (en) 2008-05-29 2008-05-29 Method for making nanostructured metal-ceramic composite

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011074741A1 (en) * 2009-12-18 2011-06-23 전북대학교산학협력단 Method for producing nanostructured titanium from titanium hydride powder
KR101272350B1 (en) * 2010-07-19 2013-06-07 전북대학교산학협력단 Method for preparing of nano structured alloy-ceramic composite

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