KR20180121257A - Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same - Google Patents

Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same Download PDF

Info

Publication number
KR20180121257A
KR20180121257A KR1020170055733A KR20170055733A KR20180121257A KR 20180121257 A KR20180121257 A KR 20180121257A KR 1020170055733 A KR1020170055733 A KR 1020170055733A KR 20170055733 A KR20170055733 A KR 20170055733A KR 20180121257 A KR20180121257 A KR 20180121257A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon nitride
oxide
sintered body
range
sintering
Prior art date
Application number
KR1020170055733A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김영욱
염희종
Original Assignee
서울시립대학교 산학협력단
(주)단단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울시립대학교 산학협력단, (주)단단 filed Critical 서울시립대학교 산학협력단
Priority to KR1020170055733A priority Critical patent/KR20180121257A/en
Publication of KR20180121257A publication Critical patent/KR20180121257A/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515Shaped 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
    • C04B35/58Shaped 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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides
    • C04B35/584Shaped 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 borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625Wet mixtures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64Burning or sintering processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/91After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics involving the removal of part of the materials of the treated articles, e.g. etching
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3205Alkaline earth oxides or oxide forming salts thereof, e.g. beryllium oxide
    • C04B2235/3206Magnesium oxides or oxide-forming salts thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3217Aluminum oxide or oxide forming salts thereof, e.g. bauxite, alpha-alumina
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3232Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/604Pressing at temperatures other than sintering temperatures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567Treatment time
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/66Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
    • C04B2235/668Pressureless sintering
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

The present invention relates to a high-toughness high-strength silicon nitride sintered body and a silicon nitride structural member manufactured by an atmospheric pressure sintering process which does not use a rare earth element. The crystal phase of silicon nitride is not less than 88 wt%, and a rare earth element or rare earth compound is not contained as a sintering aid. 1.5-4 wt% of Mg element converted to oxide, 0.5-2.5 wt% of Al element converted to oxide, 1-5 wt% of Ti element converted to oxide, and 1-4.5 wt% of Si element converted to oxide are contained necessarily as sintering aids. The weight ratio of Al element converted to oxide to Mg element converted to oxide is in the range of 1:1 to 1:2.5, the weight ratio of Al element converted to oxide to Si element converted to oxide is in the range of 1:1 to 1:3, and the weight ratio of Al element converted to oxide to Ti element converted to oxide is in the range of 1:1 to 1:4.5.

Description

희토류를 사용하지 않은 상압소결 고인성·고강도 질화규소 소결체와 질화규소 구조 부재 및 그의 제조방법{Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same}Technical Field [0001] The present invention relates to a pressureless sintered high-strength sintered silicon nitride sintered body, a silicon nitride structural member, and a method of manufacturing the same. Same}

본 발명은 희토류를 사용하지 않는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체와 질화규소 구조 부재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Mg 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:2.5의 범위이고, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Si 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:3의 범위이며, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Ti 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:4.5의 범위이고, 결정상 질화규소의 함량이 88 중량% 내지 95 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체, 구조 부재 및 그의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a high-toughness and high-strength silicon nitride sintered body and a silicon nitride structural member manufactured by an atmospheric pressure sintering process that does not use rare earths and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a silicon- Wherein the weight ratio of the Al element to the oxide is 1: 1 to 1: 2.5, the amount of the Al element is converted to the oxide, and the weight ratio of the Si element to the oxide is 1: 1 to 1: 3, In terms of oxides: the weight ratio of Ti element to oxide is in the range of 1: 1 to 1: 4.5, and the content of the crystalline silicon nitride is in the range of 88 to 95% by weight. A high strength and high strength silicon nitride sintered body, a structural member and a manufacturing method thereof.

질화규소(silicon nitride, Si3N4)를 주성분으로 하는 세라믹스는 화학결합이 공유결합으로 이루어진 세라믹 재료로서, 일반적으로 고강도, 내마모성, 내열충격성, 전기 절연성 등이 우수하며, 특히 고온에서의 특성 및 내마모 특성이 우수하여 자동차 엔진 부품 등의 고온 구조용 부재, 절삭 공구, 볼 베어링 등의 내마모용 부재, 세라믹 볼, Al 용탕의 세라믹 부재, 전력소자의 기판 등으로 널리 사용되고 있다.Ceramics mainly composed of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is a ceramic material having chemical bonds formed by covalent bonds, and generally has excellent properties such as high strength, abrasion resistance, thermal shock resistance and electrical insulation. Particularly, And is widely used for high temperature structural members such as automobile engine parts, abrasion resistance members for cutting tools and ball bearings, ceramic balls for Al molten metal, and substrates for power devices.

종래부터 질화규소 세라믹스는 소결조제로 희토류 산화물(대부분 Y2O3 등)에 다른 산화물 또는 질화물 1종 (대부분 Al2O3 또는 AlN 등)을 추가한 조성을 소결조제로 사용하여 제조되고 있다. 그런데 희토류는 지구 지각에 매우 적은 양만이 포함되어 있어 공급량이 제한적이고, 다른 산화물 첨가제에 비해 가격이 고가인 단점이 있다.BACKGROUND ART Conventionally, silicon nitride ceramics has a rare earth oxide (mostly Y 2 O 3 (For example, Al 2 O 3, AlN, or the like) is added to an oxide or a nitride such as Al 2 O 3 or the like as a sintering aid. However, rare earths contain only a very small amount of earth crust, which has a limited supply and a high price compared to other oxide additives.

질화규소 세라믹스의 응용처인 절삭공구, 철강생산용 롤러, Al용탕용 부재, 자동차 엔진부품, 가스터빈 등 고온 구조재료 분야에서 고인성 및 고강도, 내마모성 및 내열성의 물성을 갖는 소재에 대한 필요성의 증가로 고인성·고강도 질화규소 소재의 필요성이 높아지고 있고, 고인성·고강도의 소재를 제조하기 위해서는 소결방법으로 고온에서 작용하는 가스압소결 (gas pressure sintering) 또는 상압소결 후 고온정수압소결(sintering/hot isostatic pressing, SIN/HIP) 등의 방법이 주로 사용되고 있다. In the field of high-temperature structural materials such as cutting tools, steel production rollers, aluminum melt materials, automobile engine parts, and gas turbines, which are applications of silicon nitride ceramics, the necessity of materials having high toughness, high strength, abrasion resistance and heat resistance is increasing In order to produce a high strength and high strength material, sintering method is used for sintering / hot isostatic pressing (SIN) after gas pressure sintering or high pressure sintering / HIP) are mainly used.

가스압 소결은 소결 온도가 높고, 질화규소의 분해를 막기 위해서 질소 가스 압력을 사용함으로써 질화규소의 입자성장(grain growth)을 촉진하여 고인성 질화규소 소재를 제조하기에 적합하나 상압소결 공정에 비하여 고가의 고온 가압 장비가 필요하고, 소결온도가 매우 높아서 에너지 소비가 많은 단점을 갖고 있다.Gas pressure sintering is suitable for producing high-toughness silicon nitride material by promoting grain growth of silicon nitride by using nitrogen gas pressure to prevent decomposition of silicon nitride at a high sintering temperature. However, compared to a normal pressure sintering process, Equipment is required, and the sintering temperature is very high, so that the energy consumption is large.

상압소결 후 고온정수압소결 공정의 개념은 상압소결 공정을 통해 질화규소의 치밀화를 달성하고, 2단계 공정인 고온정수압소결 공정을 통해 추가적인 치밀화 및 입자성장을 촉진하여 고인성·고강도 소재를 제조하기에 유리한 공정이다. 그러나 상압소결 후 고온정수압소결의 2단계 소결공정을 거침에 따라서 공정시간이 너무 길어지고, 고가의 고온가압 소결 장치인 고온정수압소결로를 구축하여야 하며, 소결 온도가 높으므로 상압소결 공정에 비하여 공정비용이 많이 소요되는 단점이 있다.The concept of a high-temperature hydrostatic sintering process after pressureless sintering is to achieve densification of silicon nitride through an atmospheric pressure sintering process and to promote densification and particle growth through a high-temperature hydrostatic sintering process as a two-step process, Process. However, the process time becomes too long due to the two-step sintering process of high-temperature hydrostatic sintering after normal pressure sintering, and a high-temperature hydrostatic sintering furnace, which is an expensive high-temperature sintering apparatus, must be constructed. There is a disadvantage that it is expensive.

기존에 질화규소의 상압소결 공정은 여러 연구자에 의해 연구되었지만 상압 (1기압) 질소 분위기하에서 1800℃를 초과하는 온도에서는 질화규소가 열역학적으로 불안정하게 되어 질화규소의 분해 반응이 진행되므로(Si3N4 → 3Si + 2N2↑) 소결온도를 1800℃ 이하로 유지하여야 하고, 또한, 일반적인 소결 조제로 Y2O3-Al2O3 또는 Y2O3-AlN, 또는 RE2O3-Al2O3 (RE=Yb, Lu, Sm, Gd) 등 융점이 높은 희토류 산화물을 포함하는 조성을 사용하는데, 이 경우 소결 온도에서 액상의 점도가 너무 높아서, 1800℃ 이하의 온도에서 소결 공정을 진행하면 질화규소 입자의 입자성장이 충분치 못하여 고인성 질화규소 소재의 제조가 어려운 단점이 있었다.Conventionally, atmospheric pressure sintering process of silicon nitride has been studied by a number of researchers, but silicon nitride is thermodynamically unstable at a temperature exceeding 1800 ° C. under atmospheric pressure (1 atm) nitrogen atmosphere, and decomposition reaction of silicon nitride progresses (Si 3 N 4 → 3Si + 2N 2 ↑) The sintering temperature should be kept at 1800 ° C or lower, and Y 2 O 3 -Al 2 O 3 or Y 2 O 3 -AlN or RE 2 O 3 -Al 2 O 3 ( RE = Yb, Lu, Sm, Gd). In this case, the viscosity of the liquid phase at the sintering temperature is too high. If the sintering process is carried out at a temperature of 1800 ° C. or lower, There is a disadvantage in that it is difficult to produce a high-tough silicon nitride material because of insufficient growth.

현재 상업화된 모든 질화규소 소재는 적어도 1종의 희토류 산화물(대부분 Y2O3 등)을 소결조제로 사용하고 있고 희토류는 지구 지각에 매우 적은 양만이 포함되어 있어 그 양이 제한적이고, 희토류 산화물의 세계적인 수요 증가로 인해 희토류의 가격이 지속적으로 상승하고 있는 추세이다.All currently commercialized silicon nitride materials use at least one rare earth oxide (mostly Y 2 O 3 ) as a sintering aid and rare earths contain only a very small amount in the earth's crust, so their amount is limited, The price of rare earths is continuously rising due to the increase in demand.

현재까지 희토류 산화물을 사용하지 않고 상압소결 공정으로 고인성·고강도 질화규소 소재를 제조하는 기술은 보고된 바 없는 질화규소 소재 산업에서 산업적으로 매우 중요한 기술이다. Until now, the technology to manufacture high-toughness and high-strength silicon nitride materials by the pressureless sintering process without using rare earth oxides has been an industrially important technology in the silicon nitride material industry which has not been reported.

한국등록특허 제10-0325325호 (등록일 : 2002.02.06)Korean Registered Patent No. 10-0325325 (Registered Date: Feb. 2002) 한국등록특허 제10-0731392호 (등록일 : 2007.06.15)Korean Registered Patent No. 10-0731392 (Registered on June 15, 2007) 한국등록특허 제10-0889387호 (등록일 : 2009.03.11)Korean Registered Patent No. 10-0889387 (Registered on Mar. 3, 2009) 한국등록특허 제10-1130716호 (등록일 : 2012.03.20)Korean Registered Patent No. 10-1130716 (Registered on March 20, 2012)

본 발명은 종래의 기술에서는 도달하기 어려운 (1) 가압소결 또는 상압소결-고온정수압소결 공정에 비해 제조 단가가 저렴한 상압소결 공정을 사용해서, (2) 소결온도가 1800℃ 이하로 저온이고, (3) 가격이 고가이고 전략 무기화될 가능성이 높은 희토류 산화물을 사용하지 않고, (4) 고인성·고강도 질화규소 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.(2) a sintering temperature is as low as 1800 占 폚 or lower; and (3) the sintering temperature is lower than 1800 占 폚. 3) the use of rare earth oxides, which are expensive and are likely to be strategically weaponized, and (4) high-toughness and high-strength silicon nitride materials.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Mg 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:2.5의 범위이고, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Si 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:3의 범위이며, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Ti 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:4.5의 범위이고, 결정상 질화규소의 함량이 88 중량% 내지 95 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체를 제공한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of: a) a ratio of an amount of an Al element converted to an oxide: an amount of a Mg element converted to an oxide in a weight ratio of 1: 1 to 1: 2.5, : A weight ratio of the Si element to the oxide in terms of oxide is in the range of 1: 1 to 1: 3, and the weight ratio of the Al element to the oxide in terms of Ti is 1: 1 to 1: 4.5 , And the content of the crystalline silicon nitride is in the range of 88 wt% to 95 wt%. The high-toughness and high-strength silicon nitride sintered body produced by the pressureless sintering process is also provided.

상기 Al, Mg, Ti, Si는 소결조제로 첨가되며, Al 원소를 산화물로 환산하면 0.5 중량% 내지 2.5 중량%, Mg 원소를 산화물로 환산하면 1.5 중량% 내지 4중량%, Ti 원소를 산화물로 환산하면 1 중량% 내지 5 중량%, Si 원소를 산화물로 환산하면 1 중량% 내지 4.5 중량%를 함유하는 것이 바람직하다.The Al, Mg, Ti and Si are added as a sintering auxiliary agent, 0.5 to 2.5% by weight of Al element converted to oxide, 1.5 to 4% by weight of Mg element converted to oxide, By weight and 1% by weight to 5% by weight in terms of oxides of Si, respectively.

상기 소결체는 굴곡강도가 적어도 900 MPa이고, 파괴인성이 적어도 9 MPa.m1/2이며, 경도가 적어도 15 GPa이고, 기공율이 용량비로 0% 초과 2.0% 이하인 것이 바람직하다.Preferably, the sintered body has a flexural strength of at least 900 MPa, a fracture toughness of at least 9 MPa.m 1/2 , a hardness of at least 15 GPa, and a porosity ratio of more than 0% to 2.0%.

상기 소결체는 굴곡강도가 적어도 900 MPa이고, 파괴인성이 적어도 9 MPa.m1/2이며, 경도가 적어도 15 GPa이고, 열전도도가 적어도 70 W/mK인 것이 바람직하다.The sintered body preferably has a flexural strength of at least 900 MPa, a fracture toughness of at least 9 MPa.m 1/2 , a hardness of at least 15 GPa, and a thermal conductivity of at least 70 W / mK.

결정상 질화규소의 평균 입자 길이가 적어도 1 ㎛이고, 결정상 질화규소 입자의 장경비 분포에서 상위 10%의 평균 장경비가 적어도 5인 것이 바람직하다.It is preferable that the average grain length of the crystalline silicon nitride is at least 1 占 퐉 and the average longest aspect ratio of the upper 10% in the long grain size distribution of the crystalline silicon nitride grains is at least 5.

질소 압력이 1기압(상압)인 조건에서 1720℃ 내지 1800℃의 범위 및 1시간 내지 24시간 범위에서 소결된 것이 바람직하다.It is preferably sintered in the range of 1720 DEG C to 1800 DEG C and 1 hour to 24 hours under the nitrogen pressure of 1 atm (atmospheric pressure).

Al 원소의 산화물 환산량이 0.5 중량% 내지 2중량%, Mg 원소의 산화물 환산량이 1.5 중량% 내지 3중량%, Ti 원소의 산화물 환산량이 1 중량% 내지 4중량%, Si 원소의 산화물 환산량이 1 중량% 내지 3.5 중량% 인 것이 바람직하다.Wherein the amount of oxide of the Al element is 0.5 wt% to 2 wt%, the amount of Mg element is 1.5 wt% to 3 wt%, the conversion amount of Ti element is 1 wt% to 4 wt% % To 3.5% by weight.

뽀한, 본 발명은 상기 질화 규소 소결체를 포함하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체를 함유하는 질화규소 구조 부재를 제공한다.More specifically, the present invention provides a silicon nitride structural member containing a high-toughness and high-strength silicon nitride sintered body produced by an atmospheric pressure sintering process including the above silicon nitride sintered body.

상기 구조 부재는 알루미늄 용탕용 세라믹스 부재, 철강 제조용 세라믹스 롤러, 세라믹스 볼, 차량 탑재용 세라믹스 부품, 브레이징 지그, 압출 지그, 땜납조, 절삭공구, 반도체 제조 장치용 지그, 전력소자의 기판, 내마모 부품으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.Wherein the structural member is at least one selected from the group consisting of a ceramics member for molten aluminum, a ceramic roller for manufacturing steel, a ceramic ball, a ceramics part for mounting on a vehicle, a brazing jig, an extrusion jig, a soldering tank, a cutting tool, a jig for a semiconductor manufacturing apparatus, And the like.

또한, 본 발명은 Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Mg 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:2.5의 범위이고, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Si 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:3의 범위이며, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Ti 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:4.5의 범위이고, 결정상 질화규소의 함량이 88 중량% 내지 95 중량% 범위인 출발원료를 혼합하는 단계; 혼합된 출발원료를 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 제조된 성형체를 상압에서 소결하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for producing a semiconductor device, comprising the steps of: mixing an Al element in an amount of 1: 1 to 1: 2.5 in terms of an amount of a Mg element converted into an oxide; Wherein the weight ratio of Al to Ti is in the range of 1: 1 to 1: 3, the amount of Al element in terms of oxide is in the range of 1: 1 to 1: 4.5 in terms of the amount of Ti element in terms of oxide, By weight of the starting material is in the range of from 88% by weight to 95% by weight; Molding the mixed starting material to produce a shaped body; And sintering the formed body at normal pressure. The present invention also provides a method of manufacturing a high-toughness high-strength silicon nitride sintered body manufactured by the pressureless sintering process.

상기 소결은 질소 분위기에서 수행되며, 질소 압력이 1기압(상압)인 조건에서 1720℃ 내지 1800℃의 범위 및 1시간 내지 24시간 범위에서 소결된 것이 바람직하다.The sintering is performed in a nitrogen atmosphere, and it is preferable that the sintering is performed in a range of 1720 ° C to 1800 ° C and 1 hour to 24 hours under a nitrogen pressure of 1 atm (atmospheric pressure).

본 발명에 의하면, 희토류가 아닌 소결조제를 사용함으로써 희토류 산화물의 첨가 없이는 종래 기술로는 도달할 수 없었던 고인성·고강도 질화규소 소결체 및 질화규소 구조 부재를 상압소결 공정으로 제조할 수 있다.According to the present invention, by using a sintering aid which is not a rare earth element, a high-toughness and high-strength silicon nitride sintered body and a silicon nitride structural member which can not be reached by a conventional technique without addition of a rare earth oxide can be manufactured by a pressure sintering process.

본 발명에 따른 상압소결 공정에 의해 제조된 고인성·고강도 질화규소 소재 및 질화규소 구조 부재는, (1) 고가의 희토류 산화물 또는 그 화합물을 사용하지 않으며, (2) 고가의 장비를 필요로 하는 가스압소결이나 고온정수압소결 공정을 사용하지 않고, (3) 1800℃ 이하의 저온에서, (4) 상압소결 공정으로, (5) 비교적 저가의 Al2O3, MgO, SiO2, TiO2를 필수적인 소결조제로 사용해서, (6) 굴곡강도가 900 MPa 이상이고, 파괴인성이 9 MPa.m1/2 이상이며, 경도가 15 GPa 이상이고, 열전도도가 70 W/mK 이상이며, 기공율이 2% 이하인 고인성·고강도 질화규소 소재 및 질화규소 구조 부재를 제조할 수 있다. The high-toughness and high-strength silicon nitride materials and silicon nitride structural members produced by the pressure-sintering process according to the present invention are excellent in (1) high-priced rare earth oxides or their compounds are not used, (2) (4) atmospheric pressure sintering process; (5) relatively low-cost Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 and TiO 2 are used as essential sintering additives (6) a bending strength of 900 MPa or more, a fracture toughness of 9 MPa.m 1/2 or more, a hardness of 15 GPa or more, a thermal conductivity of 70 W / mK or more, and a porosity of 2% or less A high-strength and high-strength silicon nitride material and a silicon nitride structure material can be produced.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소재의 미세조직 사진으로 질화규소 입자의 평균 길이가 1 ㎛ 이상이고, 결정상 질화규소 입자의 장경비 분포에서 상위 10%의 평균 장경비가 5 이상인 질화규소 소재의 주자전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소재에서 균열이 진행되는 것을 관찰한 미세조직사진으로 Si3N4 입자가 균열가교(crack bridging) 및 균열회절(crack deflection) 기구에 의해 파괴인성이 증진되는 것을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소재의 미세조직사진으로, 질화규소 입자의 평균 길이가 1 ㎛ 이상이고, 결정상 질화규소 입자의 장경비 분포에서 상위 10%의 평균 장경비가 5 이상인 질화규소 소재의 주자전자현미경 사진이다.
FIG. 1 is a microstructure photograph of a high-toughness and high-strength silicon nitride material produced by an atmospheric pressure sintering process according to an embodiment of the present invention. The average length of the silicon nitride particles is 1 μm or more, Is an electron microscope image of a silicon nitride material having an average aspect ratio of 5 or more.
FIG. 2 is a microstructure photograph showing the progress of cracking in a high-toughness and high-strength silicon nitride material produced by an atmospheric pressure sintering process according to an embodiment of the present invention, wherein Si 3 N 4 particles are crack bridging and crack diffraction and a fracture toughness is enhanced by a crack deflection mechanism.
FIG. 3 is a microstructure photograph of a high-toughness and high-strength silicon nitride material produced by an atmospheric pressure sintering process according to an embodiment of the present invention. The average length of the silicon nitride particles is 1 μm or more, % Of average length ratio of 5 or more.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예 들을 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Embodiments in accordance with the concepts of the present invention are capable of various modifications and may take various forms, so that specific embodiments are exemplified and will be described in detail in this specification or application. It should be understood, however, that the embodiments according to the concepts of the present invention are not intended to be limited to any particular mode of disclosure, but rather all variations, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms " comprises ", or " having ", and the like, are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

질화규소의 소결 과정 중에 질화규소의 입자성장은 액상의 점도에 크게 의존한다. 액상의 점도가 낮으면 액상을 통한 물질 전달이 활발히 일어나서 입자성장이 촉진되지만 액상의 점도가 높으면 액상을 통한 물질전달이 느려져서 입자성장이 충분치 못하다. 질화규소의 입자성장이 충분치 않으면 파괴인성이 9 MPa.m1/2 이상인 고인성 소재를 얻기는 불가능하다. 액상의 점도를 낮추는 방법 중에 가장 널리 사용되는 방법은 소결온도를 높이는 것이다. 그러나 1기압의 질소 분위기에서 온도를 1800℃를 초과해서 높이면 질화규소의 분해가 일어나므로, 이를 방지하기 위해서, 고인성 질화규소 소재를 제조하는데 있어서 질소 가스압 소결 또는 고온 정수압 소결 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나 본 발명자들은 소결조제로 Mg, Al, Ti, Si 원소를 포함하는 4종의 산화물을 동시에 첨가하면 기존의 2성분계 또는 3성분계에서 얻어지는 액상의 융점보다 제4성분에 기인한 융점 강하가 충분히 일어나서 1800℃ 이하의 소결 온도에서도 결정상 질화규소의 평균 입자 길이가 적어도 1 ㎛이고, 결정상 질화규소 입자의 장경비 분포에서 상위 10%의 평균 장경비가 적어도 5인 것을 특징으로 하는 고인성·고강도 질화규소 소결체를 제조할 수 있음을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.During the sintering process of silicon nitride, the grain growth of silicon nitride greatly depends on the viscosity of the liquid phase. When the viscosity of the liquid phase is low, the mass transfer through the liquid phase is actively promoted and the particle growth is promoted. However, when the viscosity of the liquid phase is high, the mass transfer through the liquid phase is slowed and the particle growth is not sufficient. If grain growth of silicon nitride is not sufficient, it is impossible to obtain a tough material having a fracture toughness of 9 MPa.m < 1/2 > or more. The most widely used method for lowering the viscosity of the liquid phase is to increase the sintering temperature. However, since the decomposition of silicon nitride occurs at a temperature higher than 1800 ° C in a nitrogen atmosphere at 1 atm, nitrogen gas pressure sintering or high-temperature hydrostatic sintering is widely used in the production of a high-tough silicon nitride material. However, when four kinds of oxides including Mg, Al, Ti and Si elements are simultaneously added as sintering aids, the inventors have found that the melting point drop due to the fourth component is sufficiently higher than the melting point of the liquid phase obtained in the conventional two- Characterized in that the average grain size of the crystalline silicon nitride is at least 1 占 퐉 and the average aspect ratio of the upper 10% in the aspect ratio distribution of the crystalline silicon nitride grains is at least 5 even at a sintering temperature of not higher than 1800 占 폚 The present invention has been accomplished on the basis of these findings.

본 발명에서 소결조제로 Mg, Al, Ti, Si 원소를 포함하는 4종의 산화물 중에서 어느 하나를 첨가하지 않으면, 액상의 점도가 높아져서 1800℃ 이하의 온도에서 입자성장이 충분치 않아서 파괴인성이 9 MPa.m1/2 미만으로 낮아지는 단점이 있고, 또한, 경우에 따라서는 소결이 충분치 않아서 잔류 기공율이 2%를 초과해서 높아지는 단점이 있다. 따라서 소결조제로 Mg, Al, Ti, Si 원소를 포함하는 4종의 산화물이 모두 필수적으로 첨가되어야 본 발명에서 제시하는 굴곡강도가 900 MPa 이상이고, 파괴인성이 9 MPa.m1/2 이상이며, 경도가 15 GPa 이상이고, 열전도도가 70 W/mK 이상이며, 기공율이 2% 이하인 고인성·고강도 질화규소 소재 및 질화규소 구조 부재를 제조할 수 있다. If any one of the four oxides including Mg, Al, Ti and Si elements is not added as a sintering aid in the present invention, the viscosity of the liquid phase becomes high and the particle growth is insufficient at a temperature of 1800 占 폚 or lower, m < 2/2 & gt ;, and in some cases, the sintering is not sufficient and the residual porosity is increased to more than 2%. Therefore, if all four oxides including Mg, Al, Ti and Si elements are essentially added as sintering aids, the flexural strength proposed in the present invention is 900 MPa or more and the fracture toughness is 9 MPa.m 1/2 or more , A high-toughness and high-strength silicon nitride material and a silicon nitride structural member having a hardness of 15 GPa or more, a thermal conductivity of 70 W / mK or more, and a porosity of 2% or less.

본 발명에 따른 고인성·고강도 질화규소의 제조방법은, (1) 질화규소 분말에 필수적인 소결조제로 Mg, Al, Ti, Si 원소를 포함하는 산화물을 첨가하여 균일하게 혼합하는 단계, (2) 상기 혼합물을 사용하여 성형체를 제조하는 단계, 및 (3) 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.(1) adding oxides containing elements of Mg, Al, Ti and Si as sintering aids essential for silicon nitride powder and uniformly mixing them, (2) mixing the mixture , And (3) sintering the molded body.

상기 질화규소와 첨가제를 혼합하는 단계에서, 결정상 질화규소의 함량은 88 중량% 이상 95 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하고, 필수적으로 첨가되는 소결조제는, Al 원소를 산화물로 환산하면 0.5 중량% 내지 2.5 중량%, Mg 원소를 산화물로 환산하면 1.5 중량% 내지 4중량%, Ti 원소를 산화물로 환산하면 1 중량% 내지 5 중량%, Si 원소를 산화물로 환산하면 1 중량% 이상 4.5 중량% 함유하고, 희토류 원소 또는 희토류 화합물을 소결조제로 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.In the step of mixing the silicon nitride and the additive, the content of the crystalline silicon nitride is preferably limited to 88 wt% or more and 95 wt% or less, and the sintering auxiliary essentially added is preferably 0.5 wt% to 2.5 wt% 1 wt% to 5 wt% in terms of oxide of Ti element, 1 wt% to 4.5 wt% in terms of oxide of Si element, 1.5 wt% to 4 wt% of Mg element converted to oxide, Rare earth element or rare earth compound as a sintering auxiliary agent.

또한, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Mg 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:2.5의 범위이고, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Si 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:3의 범위이며, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Ti 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:4.5의 범위인 것이 바람직하다.Further, it is preferable that the weight ratio of the amount of Al element converted to oxide to the amount of Mg element converted to oxide is in the range of 1: 1 to 1: 2.5, and the amount of Al element converted into oxide: amount of Si element converted into oxide Is in the range of 1: 1 to 1: 3, and the weight ratio of the Al element converted to the oxide to the Ti element converted to the oxide is in the range of 1: 1 to 1: 4.5.

상기 조성에서 질화규소의 함량이 88 중량% 미만으로 첨가되면 소결체에서 삼중점 및 사중점 등의 정션(junction)에 존재하는 제2상 및 잔류 액상의 분율이 너무 높아져서 굴곡강도가 900 MPa 미만으로 낮아지는 단점이 있고, 질화규소의 함량이 95 중량%를 초과하여 첨가되면 소결조제의 양이 상대적으로 너무 적어서 소결이 충분치 못하므로 잔류기공율이 2%를 초과하고 굴곡강도가 900 MPa 미만으로 낮아지는 단점이 있다. 따라서 결정상의 질화규소의 함량은 88 중량% 이상 95 중량% 이하에서 그 임계적 의의를 갖는다. If the content of silicon nitride is less than 88% by weight in the above composition, the fraction of the second phase and residual liquid phase present at junctions such as triple points and quadrature centers in the sintered body becomes too high and the bending strength is lowered to less than 900 MPa And when the content of silicon nitride is more than 95% by weight, the amount of the sintering assistant is too small so that the sintering is not sufficient and the residual porosity exceeds 2% and the bending strength is lowered to less than 900 MPa. Therefore, the content of silicon nitride on the crystal phase has its critical meaning at 88 wt% or more and 95 wt% or less.

상기 소결조제의 조성 범위와 상대적 중량비는 다수의 실험을 통해서 정해진 것으로서 상기 범위를 벗어난 조성의 첨가제를 사용하면 소결밀도가 낮아져서 기공율이 2%를 초과하게 되고, 휨강도가 900 MPa 미만이거나 파괴인성이 9 MPa.m1/2 미만인 단점이 있다. 따라서, 상기 소결조제의 조성범위는 위에서 규정하는 양의 상한과 하한에서 그 임계적 의의가 있다. The composition ranges and the relative weight ratios of the sintering aids are determined through a number of experiments. When additives having a composition out of the above range are used, the sintered density becomes low and the porosity exceeds 2%. When the bending strength is less than 900 MPa or the fracture toughness is 9 MPa.m < / RTI > 1/2 . Therefore, the composition range of the sintering auxiliary agent is critical to the upper and lower limits of the amounts specified above.

상기 소결조제의 구성성분 중, Al 원소의 산화물 환산량이 0.5 중량% 내지 2중량%, Mg 원소의 산화물 환산량이 1.5 중량% 내지 3중량%, Ti 원소의 산화물 환산량이 1 중량% 내지 4중량%, Si 원소의 산화물 환산량이 1 중량% 내지 3.5 중량% 인 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 기계적 물성이 더욱 향상될 수 있다.Wherein the amount of oxide of the Al element is 0.5 wt% to 2 wt%, the amount of Mg element is 1.5 wt% to 3 wt%, the amount of Ti element is 1 wt% to 4 wt% It is more preferable that the oxide converted amount of Si element is 1 wt% to 3.5 wt%. In this case, the mechanical properties can be further improved.

상기 질화규소와 첨가제 군의 혼합 방법은 특별히 제한되지 않으며, 균일한 혼합물을 만들 수 있는 혼합방법이면 모두 사용 가능하다. 예를 들면, 통상의 볼밀, 유성밀, 교반기, 어트리터(attritor) 등이 사용 가능하다.The mixing method of the silicon nitride and the additive group is not particularly limited, and any mixing method capable of producing a uniform mixture can be used. For example, a normal ball mill, a planetary mill, a stirrer, an attritor, or the like can be used.

상기 성형체를 제조하는 방법은 통상의 세라믹스 성형 방법이면 모두 사용 가능하다. 예를 들면, 일축가압성형, 정수압상형 (cold isostatic pressing), 일축가압성형 후 정수압 성형, 주입성형 (slip casting), 테이프성형 (tape casting), 압출 성형(extrusion), 젤 캐스팅 (gel casting) 및 사출성형 (injection molding) 등이 사용 가능하다.The method for producing the molded body can be used as long as it is a usual method for forming ceramics. For example, it can be applied to a wide variety of materials, such as uniaxial pressing, cold isostatic pressing, hydrostatic pressing after uniaxial pressing, slip casting, tape casting, extrusion, gel casting, Injection molding and the like can be used.

상기 성형체를 소결하는 방법은 흑연로를 사용해서 압력을 가하지 않고, 1기압의 질소 분위기에서 1720℃ 내지 1800℃의 온도범위에서 1시간 내지 24시간의 범위에서 소결하는 것이 바람직하다. 소결온도가 1720℃ 보다 낮으면 소결이 충분히 진행되지 않아 잔류기공이 2%를 초과해서 존재하는 단점이 있고, 1800℃ 보다 높은 온도에서 진행하면 일부 질화규소가 규소와 질소로 분해되므로 기공율이 2%를 초과해서 높아지는 단점이 있는 바, 소결온도는 1720℃ 내지 1800℃의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. The sintering of the molded body is preferably carried out in a range of 1 hour to 24 hours in a temperature range of 1720 ° C to 1800 ° C in a nitrogen atmosphere of 1 atm without applying pressure using a graphite furnace. If the sintering temperature is lower than 1720 ° C, the sintering does not proceed sufficiently and the residual pores are present in excess of 2%. If the sintering temperature is higher than 1800 ° C, the silicon nitride and silicon nitride are decomposed into silicon and nitrogen, And the sintering temperature is preferably limited to a range of 1720 to 1800 占 폚.

또한, 최고온도에서 소결 시간이 1시간 미만일 때는 소결이 충분히 진행되지 않아 잔류 기공율이 2%를 초과하는 단점이 있고, 24시간을 초과하여 소결하면 과소결(overfiring) 현상으로 인해 잔류 기공율이 2%를 초과하는 단점이 있다. 따라서, 소결 시간은 1시간 이상 24시간 이하의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.When the sintering time is less than 1 hour at the maximum temperature, the sintering does not proceed sufficiently and the residual porosity exceeds 2%. When the sintering is performed for more than 24 hours, the residual porosity becomes 2% . ≪ / RTI > Therefore, the sintering time is preferably limited to a range of 1 hour to 24 hours.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.The embodiments presented are only a concrete example of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

<< 실시예Example 1> 1>

α-Si3N4 분말 90 중량%에 소결조제로 3.2 중량% SiO2, 3.0 중량% MgO, 2.0 중량% TiO2, 1.8 중량% Al2O3를 첨가해서, 에탄올을 용매로 사용하고, 질화규소 볼과 폴리프로필렌 병을 사용해서 24시간 동안 습식 혼합하였다.3.2 wt% SiO 2 , 3.0 wt% MgO, 2.0 wt% TiO 2 , and 1.8 wt% Al 2 O 3 were added to 90 wt% of α-Si 3 N 4 powder as a sintering auxiliary agent, ethanol was used as a solvent, The balls were wet-mixed using a polypropylene bottle for 24 hours.

이후, 혼합된 슬러리를 건조하고, 60 메쉬(mesh) 체를 사용해서 과립화 공정을 거친 후, 25 MPa의 압력을 가해서 일축가압성형방법으로 45 × 35 × 10 mm3 크기의 1차 성형체를 제조하였고, 이어서 276 MPa의 압력으로 냉간정수압성형(cold isostatic pressing) 하여 최종 성형체를 제조하였다. Thereafter, the mixed slurry was dried, granulated using a 60 mesh sieve, pressurized at a pressure of 25 MPa, and uniaxially pressed to obtain a primary molded body of 45 x 35 x 10 mm 3 size , Followed by cold isostatic pressing at a pressure of 276 MPa to prepare a final molded article.

상기 성형체를 흑연도가니에 넣고 흑연가열로에서 1780℃에서 3시간 동안 질소 분위기를 사용하여 상압소결하였다.The compact was placed in a graphite crucible and sintered at atmospheric pressure in a graphite furnace at 1780 占 폚 for 3 hours using a nitrogen atmosphere.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의하여 상압소결된 질화규소의 미세조직을 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진이며, 질화규소 입자의 평균 직경이 1 ㎛ 이상이고, 장경비 상위 10%의 평균이 6.1로 길게 자란 질화규소 입자가 잘 성장한 것을 알 수 있고, 상기 소결체의 기공율은 0.3%로 매우 낮았다. FIG. 1 is a photograph of a microstructure of silicon nitride sintered at atmospheric pressure according to an embodiment of the present invention. The average diameter of the silicon nitride particles is 1 占 퐉 or more and the average of the upper 10% It was found that the grown silicon nitride particles were well grown, and the porosity of the sintered body was as low as 0.3%.

상기 소결체를 ASTM C 1161-13 표준규격에 준거한 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마하였다. 상기 막대의 인장표면은 1㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 모서리(edge) 결함과 스트레스 축척을 피하기 위해 모서리 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 시험은 내부와 외부의 스팬(span)이 각 10 mm, 20 mm인 4점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.2 mm/min에서 수행하였고, 측정된 4점 굴곡강도는 915 MPa로 매우 우수하였다.The sintered body was cut and polished into a bar-shaped sample of 2 mm x 1.5 mm x 25 mm in size conforming to ASTM C 1161-13 standard. The tensile surfaces of the bars were polished with 1 micron diamond paste and rounded corners to avoid large edge defects and stress scaling caused by sectioning. The bending strength test was carried out at a crosshead speed of 0.2 mm / min using a four-point bending strength measurement method with internal and external spans of 10 mm and 20 mm, respectively. The measured 4-point bending strength was 915 MPa .

상기 소결체의 파괴인성은 한국공업규격 (KS L 1600, 고성능 요업제품의 파괴인성 시험방법)을 사용하여 측정하였고, 측정된 파괴인성은 9.0 MPa.m1/ 2으로 매우 우수하였다. 이는 도 2에서 보여주듯이 균열 가교와 균열 회절 등 파괴인성 증진 기구의 의해 파괴인성이 효과적으로 증진되었기 때문이다.The fracture toughness of the sintered body was measured using the Korea Industrial Standard (KS L 1600, the fracture toughness test method of high performance ceramics), the measured fracture toughness was excellent as 9.0 MPa.m 1/2. This is because fracture toughness is effectively enhanced by a fracture toughness improving mechanism such as crack bridging and crack diffraction as shown in Fig.

상기 시편의 경도는 15.5 GPa이었고, 레이저 플래쉬법으로 측정한 열전도도는 71 W/mK으로 매우 우수하였다. The hardness of the specimen was 15.5 GPa, and the thermal conductivity measured by laser flash method was 71 W / mK, which was excellent.

<< 실시예Example 2> 2>

α-Si3N4 분말 89 중량%에 소결조제로 3.4 중량% SiO2, 2.8 중량% MgO, 3.2 중량% TiO2, 1.6 중량% Al2O3를 첨가해서, 에탄올을 용매로 사용하고, 질화규소 볼과 폴리프로필렌 병을 사용해서 24시간 동안 습식 혼합하였다.3.4% by weight SiO 2 , 2.8% by weight MgO, 3.2% by weight TiO 2 and 1.6% by weight Al 2 O 3 were added to 89% by weight of α-Si 3 N 4 powder as a sintering auxiliary agent and ethanol was used as a solvent. The balls were wet-mixed using a polypropylene bottle for 24 hours.

혼합된 슬러리를 건조하고, 60 메쉬(mesh) 체를 사용해서 과립화 공정을 거친 후, 25 MPa 의 압력을 가해서 일축가압성형방법으로 40 × 40 × 10 mm3 크기의 1차 성형체를 제조하고, 이어서 276MPa의 압력으로 냉간정수압성형(cold isostatic pressing) 하여 최종 성형체를 제조하였다. The mixed slurry was dried, granulated using a 60 mesh sieve, subjected to a pressure of 25 MPa to prepare a primary compact having a size of 40 × 40 × 10 mm 3 by uniaxial pressing, Followed by cold isostatic pressing at a pressure of 276 MPa to prepare a final molded article.

상기 성형체를 흑연도가니에 넣어서 흑연가열로에서 1740℃에서 15시간 동안 질소 분위기를 사용하여 상압소결하였다.The compact was placed in a graphite crucible and sintered at atmospheric pressure in a graphite furnace at 1740 DEG C for 15 hours using a nitrogen atmosphere.

도 3은 상기 상압소결 질화규소의 미세조직을 주사 전자 현미경으로 관찰한 사진이며, 질화규소 입자의 평균 직경이 1㎛ 이상이고, 장경비 상위 10%의 평균이 6.3 으로 길게 자란 질화규소 입자가 잘 성장한 것을 알 수 있고, 상기 소결체의 기공율은 0.7%로 매우 낮았다.FIG. 3 is a photograph of the microstructure of the pressureless sintered silicon nitride observed by a scanning electron microscope, showing that silicon nitride particles having an average diameter of 1 탆 or more and having an average length of 6.3% And the porosity of the sintered body was as low as 0.7%.

상기 소결체를 ASTM C 1161-13 표준규격에 준거한 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마하였다. 상기 막대의 인장표면은 1㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 모서리 결함과 스트레스 축척을 피하기 위해 모서리 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 시험은 내부와 외부의 스팬(span)이 각 10mm, 20mm인 4점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.2 mm/min에서 수행하였고, 측정된 4점 굴곡강도는 924 MPa로 매우 우수하였다.The sintered body was cut and polished into a bar-shaped sample of 2 mm x 1.5 mm x 25 mm in size conforming to ASTM C 1161-13 standard. The tensile surface of the rod was polished with a 1 micron diamond paste and rounded corners to avoid large corner defects and stress scaling caused by sectioning. The bending strength test was carried out at a crosshead speed of 0.2 mm / min using a four-point bending strength measurement method with internal and external spans of 10 mm and 20 mm, respectively. The measured four-point bending strength was excellent at 924 MPa .

상기 소결체의 파괴인성은 한국공업규격 (KS L 1600, 고성능 요업제품의 파괴인성 시험방법)을 사용하여 측정하였고, 측정된 파괴인성은 9.2 MPa.m1/ 2으로 매우 우수하였다. 이는 균열 가교와 균열 회절 등 파괴인성 증진 기구의 의해 파괴인성이 효과적으로 증진되었기 때문이다.The fracture toughness of the sintered body was measured using the Korea Industrial Standard (KS L 1600, the fracture toughness test method of high performance ceramics), the measured fracture toughness was excellent as 9.2 MPa.m 1/2. This is because the fracture toughness improves effectively by the fracture toughness improving mechanism such as crack bridging and crack diffraction.

상기 시편의 경도는 15.3GPa이었고, 레이저 플래쉬법으로 측정한 열전도도는 76 W/mK으로 매우 우수하였다. The hardness of the specimen was 15.3 GPa, and the thermal conductivity measured by the laser flash method was excellent at 76 W / mK.

<< 실시예Example 3> 3>

α-Si3N4 분말 90.2 중량%에 β-Si3N4 분말 1 중량%를 종자 입자로 첨가하고, 소결조제로서 3.0 중량% SiO2, 2.6 중량% MgO, 1.9 중량% TiO2, 1.3 중량% Al2O3를 첨가해서, 에탄올을 용매로 사용하고, 질화규소 볼과 테프론 자(jar)를 매체로 유성밀을 사용해서 5시간 동안 습식 혼합하였다.the α-Si 3 N 4 powder 90.2% by weight of β-Si 3 N 4 powder was added 1% by weight seed particles, 3.0% by weight as a sintering aid SiO 2, 2.6 wt% MgO, 1.9% by weight TiO 2, 1.3 wt. % Al 2 O 3 was added, and ethanol was used as a solvent, and silicon nitride ball and Teflon jar were wet mixed using a planetary mill for 5 hours.

혼합된 슬러리를 건조하고, 60 메쉬(mesh) 체를 사용해서 과립화 공정을 거친 후, 25 MPa 의 압력을 가해서 일축가압성형방법으로 40 × 40 × 10 mm3 크기의 1차 성형체를 제조하고, 이어서 276MPa의 압력으로 냉간정수압성형(cold isostatic pressing)하여 최종 성형체를 제조하였다. 상기 성형체를 흑연도가니에 넣고 흑연가열로에서 1790℃에서 4시간 동안 질소 분위기를 사용하여 상압소결하였다.The mixed slurry was dried, granulated using a 60 mesh sieve, subjected to a pressure of 25 MPa to prepare a primary compact having a size of 40 × 40 × 10 mm 3 by uniaxial pressing, Followed by cold isostatic pressing at a pressure of 276 MPa to prepare a final molded article. The compact was placed in a graphite crucible and sintered at atmospheric pressure in a graphite furnace at 1790 占 폚 for 4 hours using a nitrogen atmosphere.

제조된 상압소결 질화규소 소재에서 질화규소 입자의 평균 직경이 1㎛ 이상이고, 장경비 상위 10%의 평균이 5.8로 길게 자란 질화규소 입자가 잘 성장하였고, 상기 소결체의 기공율은 0.3%로 매우 낮았다. The average diameter of silicon nitride particles was more than 1 ㎛ and the average of the upper 10% of the silicon nitride particles was 5.8. The silicon nitride particles were well grown and the porosity of the sintered body was very low at 0.3% in the manufactured pressureless sintered silicon nitride material.

상기 소결체를 ASTM C 1161-13 표준규격에 준거한 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마하였다. 상기 막대의 인장표면은 1㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 모서리 결함과 스트레스 축척을 피하기 위해 모서리 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 시험은 내부와 외부의 스팬(span)이 각 10mm, 20mm인 4점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.2 mm/min에서 수행하였고, 측정된 4점 굴곡강도는 954 MPa로 매우 우수하였다.The sintered body was cut and polished into a bar-shaped sample of 2 mm x 1.5 mm x 25 mm in size conforming to ASTM C 1161-13 standard. The tensile surface of the rod was polished with a 1 micron diamond paste and rounded corners to avoid large corner defects and stress scaling caused by sectioning. The bending strength test was carried out at a crosshead speed of 0.2 mm / min using a four-point bending strength measurement method with internal and external spans of 10 mm and 20 mm, respectively. The measured four-point bending strength was excellent at 954 MPa .

상기 소결체의 파괴인성은 한국공업규격 (KS L 1600, 고성능 요업제품의 파괴인성 시험방법)을 사용하여 측정하였고, 측정된 파괴인성은 9.8 MPa.m1/2 으로 매우 우수하였다. 이는 균열 가교와 균열 회절 등 파괴인성 증진 기구의 의해 파괴인성이 효과적으로 증진되었기 때문이다.The fracture toughness of the sintered body was measured using KS L 1600 (Fracture Toughness Test Method for High Performance Ceramic Products) and the measured fracture toughness was excellent at 9.8 MPa.m 1/2 . This is because the fracture toughness improves effectively by the fracture toughness improving mechanism such as crack bridging and crack diffraction.

상기 시편의 경도는 15.5GPa 이었고, 레이저 플래쉬법으로 측정한 열전도도는 81 W/mK으로 매우 우수하였다. The hardness of the specimen was 15.5 GPa, and the thermal conductivity measured by the laser flash method was 81 W / mK, which was excellent.

<< 실시예Example 4> 4>

α-Si3N4 분말 93 중량%에 소결조제로 2.4 중량% SiO2, 2.0 중량% MgO, 1.3 중량% TiO2, 1.3 중량% Al2O3를 첨가해서, 에탄올을 용매로 사용하고, 질화규소 볼과 테프론 자(jar)를 사용해서 유성밀에서 6시간 동안 습식 혼합하였다.2.4 wt% SiO 2 , 2.0 wt% MgO, 1.3 wt% TiO 2 and 1.3 wt% Al 2 O 3 were added to 93 wt% of α-Si 3 N 4 powder as a sintering auxiliary agent, and ethanol was used as a solvent, The balls were wet-blended in a planetary mill for 6 hours using a Teflon jar.

혼합된 슬러리를 건조하고, 60 메쉬(mesh) 체를 사용해서 과립화 공정을 거친 후, 25 MPa 의 압력을 가해서 일축가압성형방법으로 40 × 40 × 10 mm3 크기의 1차 성형체를 제조하고, 이어서 290MPa의 압력으로 냉간정수압성형(cold isostatic pressing) 하여 최종 성형체를 제조하였다. 상기 성형체를 흑연도가니에 넣고 흑연가열로에서 1760℃에서 8시간 동안 질소 분위기를 사용하여 상압소결하였다.The mixed slurry was dried, granulated using a 60 mesh sieve, subjected to a pressure of 25 MPa to prepare a primary compact having a size of 40 × 40 × 10 mm 3 by uniaxial pressing, Followed by cold isostatic pressing at a pressure of 290 MPa to prepare a final molded article. The compact was placed in a graphite crucible and sintered at atmospheric pressure in a graphite furnace at 1760 ° C for 8 hours using a nitrogen atmosphere.

제조된 상압소결 질화규소 소재에서 질화규소 입자의 평균 직경이 1㎛ 이상이고, 장경비 상위 10%의 평균이 5.7로 길게 자란 질화규소 입자가 잘 성장하였고, 상기 소결체의 기공율은 0.6%로 매우 낮았다. The average diameter of silicon nitride particles was more than 1 ㎛ and the average length of the upper 10% of the silicon nitride particles was 5.7. The silicon nitride particles were well grown and the porosity of the sintered body was very low at 0.6% in the manufactured pressureless sintered silicon nitride material.

상기 소결체를 ASTM C 1161-13 표준규격에 준거한 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마하였다. 상기 막대의 인장표면은 1㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 모서리 결함과 스트레스 축척을 피하기 위해 모서리 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 시험은 내부와 외부의 스팬(span)이 각 10mm, 20mm인 4점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.2 mm/min에서 수행하였고, 측정된 4점 굴곡강도는 937 MPa로 매우 우수하였다.The sintered body was cut and polished into a bar-shaped sample of 2 mm x 1.5 mm x 25 mm in size conforming to ASTM C 1161-13 standard. The tensile surface of the rod was polished with a 1 micron diamond paste and rounded corners to avoid large corner defects and stress scaling caused by sectioning. The bending strength test was carried out at a crosshead speed of 0.2 mm / min using a four-point bending strength measurement method with internal and external spans of 10 mm and 20 mm, respectively. The measured 4-point bending strength was excellent at 937 MPa .

상기 소결체의 파괴인성은 한국공업규격(KS L 1600, 고성능 요업제품의 파괴인성 시험방법)을 사용하여 측정하였고, 측정된 파괴인성은 9.0 MPa.m1/2 으로 매우 우수하였다. 이는 균열 가교와 균열 회절 등 파괴인성 증진 기구의 의해 파괴인성이 효과적으로 증진되었기 때문이다.The fracture toughness of the sintered body was measured by using KS L 1600 (Fracture Toughness Test Method of High Performance Ceramic Product). The fracture toughness measured was excellent at 9.0 MPa.m 1/2 . This is because the fracture toughness improves effectively by the fracture toughness improving mechanism such as crack bridging and crack diffraction.

상기 시편의 경도는 15.8 GPa이었고, 레이저 플래쉬법으로 측정한 열전도도는 72 W/mK으로 매우 우수하였다. The hardness of the specimen was 15.8 GPa and the thermal conductivity measured by the laser flash method was excellent at 72 W / mK.

<< 실시예Example 5> 5>

α-Si3N4 분말 94.4 중량%에 β-Si3N4 분말 0.5 중량%를 종자 입자로 첨가하고, 소결조제로 1.8 중량% SiO2, 1.5 중량% MgO, 1.0 중량% TiO2, 0.8 중량% Al2O3를 첨가해서, 에탄올을 용매로 사용하고, 질화규소 볼과 테프론 자(jar)를 사용해서 유성밀에서 6시간 동안 습식 혼합하였다.α-Si 3 N 4 powder 94.4% by weight of the β-Si 3 N to 4 was added to the powder of 0.5 weight% as a seed particle, and a sintering aid of 1.8 wt% SiO 2, 1.5 wt% MgO, 1.0% by weight TiO 2, 0.8 wt. % Al 2 O 3 was added, and ethanol was used as a solvent and wet-mixed in a planetary mill using a silicon nitride ball and a Teflon jar for 6 hours.

혼합된 슬러리를 건조하고, 60 메쉬 (mesh) 체를 사용해서 과립화 공정을 거친후, 25 MPa 의 압력을 가해서 일축가압성형방법으로 40 × 40 × 10 mm3 크기의 1차 성형체를 제조하고, 이어서 390MPa의 압력으로 냉간정수압성형(cold isostatic pressing) 하여 최종 상형체를 제조하였다. 상기 성형체를 흑연도가니에 넣고 흑연가열로에서 1795℃에서 3시간 동안 질소 분위기를 사용하여 상압소결하였다.The mixed slurry was dried, granulated using a 60 mesh sieve, subjected to a pressure of 25 MPa to prepare a primary compact having a size of 40 × 40 × 10 mm 3 by uniaxial pressing, Followed by cold isostatic pressing at a pressure of 390 MPa to prepare a final shaped article. The compact was placed in a graphite crucible and sintered at atmospheric pressure in a graphite furnace at 1795 DEG C for 3 hours using a nitrogen atmosphere.

제조된 상압소결 질화규소 소재에서 질화규소 입자의 평균 직경이 1㎛ 이상이고, 장경비 상위 10%의 평균이 6.1로 길게 자란 질화규소 입자가 잘 성장하였고, 상기 소결체의 기공율은 0.3%로 매우 낮았다. The average diameter of silicon nitride particles was more than 1 ㎛ and the average of the upper 10% of the silicon nitride particles was 6.1. The silicon nitride particles were well grown and the porosity of the sintered body was very low at 0.3% in the manufactured pressureless sintered silicon nitride material.

상기 소결체를 ASTM C 1161-13 표준규격에 준거한 2 mm × 1.5 mm × 25 mm 크기의 막대-모양의 샘플로 자르고 연마하였다. 상기 막대의 인장표면은 1㎛ 다이아몬드 페이스트로 연마시키고, 절개(sectioning)로 인해 발생되는 큰 모서리 결함과 스트레스 축척을 피하기 위해 모서리 부분을 둥그렇게 만들었다. 굴곡강도 시험은 내부와 외부의 스팬(span)이 각 10 mm, 20 mm인 4점 굴곡강도 측정법을 이용하여 크로스헤드 속도 0.2 mm/min에서 수행하였고, 측정된 4점 굴곡강도는 917MPa로 매우 우수하였다.The sintered body was cut and polished into a bar-shaped sample of 2 mm x 1.5 mm x 25 mm in size conforming to ASTM C 1161-13 standard. The tensile surface of the rod was polished with a 1 micron diamond paste and rounded corners to avoid large corner defects and stress scaling caused by sectioning. The bending strength test was carried out at a crosshead speed of 0.2 mm / min using a four-point bending strength measurement method with internal and external spans of 10 mm and 20 mm, respectively. The measured 4-point bending strength was 917 MPa, Respectively.

상기 소결체의 파괴인성은 한국공업규격(KS L 1600, 고성능 요업제품의 파괴인성 시험방법)을 사용하여 측정하였고, 측정된 파괴인성은 10.1 MPa.m1/ 2으로 매우 우수하였다. 이는 균열 가교와 균열 회절 등의 파괴인성 증진 기구의 의해 파괴인성이 효과적으로 증진되었기 때문이다.The fracture toughness of the sintered body was measured using the Korea Industrial Standard (KS L 1600, the fracture toughness test method of high performance ceramics), the measured fracture toughness was excellent as 10.1 MPa.m 1/2. This is because the fracture toughness improves effectively by the fracture toughness improving mechanism such as crack bridging and crack diffraction.

상기 시편의 경도는 15.3GPa 이었고, 레이저 플래쉬법으로 측정한 열전도도는 80 W/mK으로 매우 우수하였다. The hardness of the specimen was 15.3 GPa and the thermal conductivity measured by the laser flash method was 80 W / mK, which was excellent.

실시예 1내지 5의 경우에 (1) 값비싼 희토류 산화물 또는 그 화합물을 전혀 첨가하지 않고, (2) 일반적으로 고인성 질화규소 소재를 제조하기 위해 사용되는 가스압 소결이나 상압소결 후 고온정수압 소결 방법을 사용하지 않았으며, 상압소결 방법으로, (3) [도 1] 및 [도 3] 에서 보듯이 질화규소 입자의 평균 길이가 1㎛ 이상이고, 질화규소 입자의 장경비 분포에서 상위 10%의 평균이 5 이상인 질화규소 입자가 길게 자란 미세조직을 얻었고, 이로 인해 파괴인성이 9 MPa.m1/2 이상이고, 굴곡강도가 900MPa 이상이며, 열전도도가 70W/mK 이상인 질화규소 소재 및 질화규소 구조 부재를 제공한다.In the case of Examples 1 to 5, (1) no expensive rare earth oxides or compounds thereof were added at all, (2) a sintering method of high pressure after pressure sintering or normal pressure sintering, which is generally used for producing a high- (3) As shown in [Fig. 1] and [Fig. 3], the average length of the silicon nitride particles is not less than 1 탆, and the average of the top 10% of the silicon nitride particles is 5 Silicon nitride particles and silicon nitride structural members having a fracture toughness of 9 MPa.m &lt; 1/2 &gt; or more, a flexural strength of 900 MPa or more, and a thermal conductivity of 70 W / mK or more.

이는 본 발명의 중심 사상인 1800℃ 이하의 비교적 저온에서 점도가 낮은 액상을 형성해서 장경비가 큰 질화규소의 입자 성장을 촉진하는 SiO2-MgO-TiO2-Al2O3로 구성된 4성분계 신규 소결조제 조성에 기인한다.This is a new four-component sintering system composed of SiO 2 -MgO-TiO 2 -Al 2 O 3 which promotes grain growth of silicon nitride having a long length ratio by forming a liquid phase having a low viscosity at a relatively low temperature of 1800 ° C or less, It is due to the preparation composition.

일반적으로 질화규소의 소결시 희토류 산화물 한가지와 또 다른 산화물 한가지로 구성되는 2성분계 소결조제를 첨가하여 (예를 들면 Y2O3-Al2O3 또는 Y2O3-AlN) 질화규소 소재가 제조된다. 일반적인 2성분계 세라믹 상태도에서는 제 1 성분에 제 2 성분을 첨가하면 두 물질 사이에 더 낮은 융점을 갖는 융점 하강이 생기고, 이러한 융점 하강은 제 3의 물질 및 제4의 물질을 첨가함으로써 융점 하강이 급격히 일어날 수 있는 가능성이 있다. SiO2-MgO-TiO2-Al2O3 4성분계 상태도는 아직 보고된 바가 없으므로, 융점 하강이 얼마나 일어나는지 예측하기는 어려우나, 본 발명의 기술 사상의 조성을 만족하는 4성분계 소결조제는 2성분계 소결조제에 비하여 융점 하강이 더욱 많이 일어나 1800℃ 이하의 비교적 저온에서 액상의 낮은 융점에 기인하여 액상의 점도가 낮아지고, 이로 인해 입자성장이 촉진되어 길게 자란 질화규소 입자를 다수 포함하는 미세조직을 얻을 수 있고, 이로부터 고인성··고강도 및 고열전도도 질화규소 소재의 제조가 가능하였다. 본 발명에서와 같이 4성분계의 소결조제 첨가시 융점 하강이 많이 일어난 것은 촉진된 질화규소의 입자성장에 의해 간접적으로 입증된다고 볼 수 있다.In general, when sintering silicon nitride, a two-component sintering auxiliary composed of one rare-earth oxide and one oxide is added (for example, Y 2 O 3 -Al 2 O 3 or Y 2 O 3 -AlN) silicon nitride material is produced. In the general two-component ceramic phase diagram, the addition of the second component to the first component results in a lowering of the melting point having a lower melting point between the two components, and the lowering of the melting point causes the lowering of the melting point to occur rapidly by adding the third substance and the fourth substance There is a possibility to happen. SiO 2 -MgO-TiO 2 -Al 2 O 3 The four-component sintering aids satisfying the technical idea of the present invention have a higher melting point lower than that of the two-component sintering aids, The viscosity of the liquid phase is lowered due to the low melting point of the liquid phase at a relatively low temperature and the grain growth is promoted thereby to obtain a microstructure including a large number of long silicon nitride particles. From this, it is possible to obtain a high- The material could be manufactured. As described in the present invention, when the four-component sintering aid is added, the decrease of the melting point is observed indirectly by the particle growth of promoted silicon nitride.

이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 상기 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the claims, and all technical ideas within the scope of the claims should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (11)

Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Mg 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:2.5의 범위이고,
Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Si 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:3의 범위이며,
Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Ti 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:4.5의 범위이고,
결정상 질화규소의 함량이 88 중량% 내지 95 중량% 범위인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체.
The weight ratio of the Al element to the oxide: Mg element to oxide amount is in the range of 1: 1 to 1: 2.5,
The weight ratio of the Al element to the oxide: Si element to oxide weight ratio is in the range of 1: 1 to 1: 3,
Wherein the weight ratio of the Al element to the oxide: Ti element to oxide is in the range of 1: 1 to 1: 4.5,
Characterized in that the content of crystalline silicon nitride is in the range of 88 wt% to 95 wt%, and the sintered body of high-toughness and high-strength silicon nitride produced by the pressureless sintering process.
제1항에 있어서,
상기 Al, Mg, Ti, Si는 소결조제로 첨가되며,
Al 원소를 산화물로 환산하면 0.5 중량% 내지 2.5 중량%,
Mg 원소를 산화물로 환산하면 1.5 중량% 내지 4중량%,
Ti 원소를 산화물로 환산하면 1 중량% 내지 5 중량%,
Si 원소를 산화물로 환산하면 1 중량% 내지 4.5 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체.
The method according to claim 1,
The Al, Mg, Ti, and Si are added as sintering aids,
0.5% to 2.5% by weight of Al element converted to oxide,
1.5% to 4% by weight of Mg element converted to oxide,
The Ti element is converted to oxide in an amount of 1 wt% to 5 wt%
And a silicon element in an amount of 1 wt% to 4.5 wt% in terms of an oxide.
제1항에 있어서,
굴곡강도가 적어도 900 MPa이고, 파괴인성이 적어도 9 MPa.m1/2이며, 경도가 적어도 15 GPa이고, 기공율이 용량비로 0% 초과 2.0% 이하인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체.
The method according to claim 1,
Characterized in that the bending strength is at least 900 MPa, the fracture toughness is at least 9 MPa.m 1/2 , the hardness is at least 15 GPa, and the porosity is in excess of 0% to 2.0% High strength silicon nitride sintered body.
제1항에 있어서,
굴곡강도가 적어도 900 MPa이고, 파괴인성이 적어도 9 MPa.m1/2이며, 경도가 적어도 15 GPa이고, 열전도도가 적어도 70 W/mK인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체.
The method according to claim 1,
Characterized in that the bending strength is at least 900 MPa, the fracture toughness is at least 9 MPa.m 1/2 , the hardness is at least 15 GPa, and the thermal conductivity is at least 70 W / mK. High strength silicon nitride sintered body.
제1항에 있어서,
결정상 질화규소의 평균 입자 길이가 적어도 1 ㎛이고, 결정상 질화규소 입자의 장경비 분포에서 상위 10%의 평균 장경비가 적어도 5인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체.
The method according to claim 1,
Characterized in that the average grain length of the crystalline silicon nitride is at least 1 占 퐉 and the average aspect ratio of the upper 10% in the aspect ratio distribution of the crystalline silicon nitride grains is at least 5. The sintered body of the high toughness and high strength silicon nitride produced by the pressureless sintering process.
제1항에 있어서,
질소 압력이 1기압(상압)인 조건에서 1720℃ 내지 1800℃의 범위 및 1시간 내지 24시간 범위에서 소결된 것을 특징으로 하는 고인성·고강도 질화규소 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the sintered body is sintered at a nitrogen pressure of 1 atm (atmospheric pressure) in a range of 1720 ° C to 1800 ° C and 1 hour to 24 hours.
제1항에 있어서,
Al 원소의 산화물 환산량이 0.5 중량% 내지 2중량%, Mg 원소의 산화물 환산량이 1.5 중량% 내지 3중량%, Ti 원소의 산화물 환산량이 1 중량% 내지 4중량%, Si 원소의 산화물 환산량이 1 중량% 내지 3.5 중량% 인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체.
The method according to claim 1,
Wherein the amount of oxide of the Al element is 0.5 wt% to 2 wt%, the amount of Mg element is 1.5 wt% to 3 wt%, the conversion amount of Ti element is 1 wt% to 4 wt% % To 3.5% by weight of the sintered body of high-toughness and high-strength silicon nitride produced by the pressureless sintering process.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 질화 규소 소결체를 포함하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체를 함유하는 질화규소 구조 부재.A silicon nitride structural member containing a high-toughness high-strength silicon nitride sintered body manufactured by an atmospheric pressure sintering process comprising the silicon nitride sintered body according to any one of claims 1 to 7. 제8항에 있어서,
알루미늄 용탕용 세라믹스 부재, 철강 제조용 세라믹스 롤러, 세라믹스 볼, 차량 탑재용 세라믹스 부품, 브레이징 지그, 압출 지그, 땜납조, 절삭공구, 반도체 제조 장치용 지그, 전력소자의 기판, 내마모 부품으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체를 함유하는 질화규소 구조 부재.
9. The method of claim 8,
A ceramic member for aluminum, a ceramic roller for manufacturing steel, a ceramic ball, a ceramics part for mounting on a vehicle, a brazing jig, an extrusion jig, a soldering tank, a cutting tool, a jig for a semiconductor manufacturing apparatus, Wherein the sintered body of silicon nitride having high toughness and high strength is produced by a normal pressure sintering process.
Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Mg 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:2.5의 범위이고, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Si 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:3의 범위이며, Al 원소를 산화물로 환산한 양 : Ti 원소를 산화물로 환산한 양의 중량비가 1:1 내지 1:4.5의 범위이고, 결정상 질화규소의 함량이 88 중량% 내지 95 중량% 범위인 출발원료를 혼합하는 단계;
혼합된 출발원료를 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
제조된 성형체를 상압에서 소결하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체의 제조방법.
Wherein the weight ratio of the Al element to the oxide is in the range of 1: 1 to 1: 2.5 in terms of the amount of the Mg element converted to the oxide and the Al element is converted into the oxide: Is in the range of 1: 1 to 1: 3, the weight ratio of the Al element to the oxide: Ti element in terms of oxide is in the range of 1: 1 to 1: 4.5, the crystalline silicon nitride content is 88 weight To 95% by weight of the starting material;
Molding the mixed starting material to produce a shaped body; And
Sintering the formed body at normal pressure;
Wherein the silicon nitride sintered body is manufactured by a normal pressure sintering process.
제10항에 있어서,
상기 소결은 질소 분위기에서 수행되며, 질소 압력이 1기압(상압)인 조건에서 1720℃ 내지 1800℃의 범위 및 1시간 내지 24시간 범위에서 소결된 것을 특징으로 하는 상압소결 공정으로 제조된 고인성·고강도 질화규소 소결체의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the sintering is performed in a nitrogen atmosphere and is sintered at a pressure of 1 atm (atmospheric pressure) in a range of 1720 ° C to 1800 ° C and in a range of 1 hour to 24 hours. (Method for manufacturing high strength silicon nitride sintered body).
KR1020170055733A 2017-04-28 2017-04-28 Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same KR20180121257A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170055733A KR20180121257A (en) 2017-04-28 2017-04-28 Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170055733A KR20180121257A (en) 2017-04-28 2017-04-28 Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180121257A true KR20180121257A (en) 2018-11-07

Family

ID=64363178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170055733A KR20180121257A (en) 2017-04-28 2017-04-28 Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20180121257A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113429211A (en) * 2021-08-27 2021-09-24 中南大学湘雅医院 Silicon nitride ceramic material and preparation method thereof
CN117303911A (en) * 2023-09-26 2023-12-29 安徽华晟新材料有限公司 Crucible and preparation method thereof

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113429211A (en) * 2021-08-27 2021-09-24 中南大学湘雅医院 Silicon nitride ceramic material and preparation method thereof
CN113429211B (en) * 2021-08-27 2021-11-02 中南大学湘雅医院 Silicon nitride ceramic material and preparation method thereof
CN117303911A (en) * 2023-09-26 2023-12-29 安徽华晟新材料有限公司 Crucible and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4803183A (en) Dense molded bodies of polycrystalline aluminum nitride and process for preparation without use of sintering aids
Wang et al. Influence of hot pressing sintering temperature and time on microstructure and mechanical properties of TiB2 ceramics
EP0626358B1 (en) Electrically conductive high strength dense ceramic
TW397807B (en) Aluminium nitride sintered body
Yang et al. Comparative study of fluoride and non-fluoride additives in high thermal conductive silicon nitride ceramics fabricated by spark plasma sintering and post-sintering heat treatment
Shen et al. Homogeneity Region and Thermal Stability of Neodymium‐Doped α‐Sialon Ceramics
WO2007126784A2 (en) Toughened silicon carbide and method for making the same
JPS6168373A (en) Silicon nitride sintered body and manufacture
Zhao et al. Effects of Y2O3–MgO nanopowders content on mechanical and dielectric properties of porous BN/Si3N4 composites
JPS6128627B2 (en)
JPWO2019235593A1 (en) Plate-shaped silicon nitride sintered body and its manufacturing method
JPWO2019235594A1 (en) Plate-shaped silicon nitride sintered body and its manufacturing method
KR20180121257A (en) Pressureless Sintered Dense Silicon Nitride Body Having High Toughness and High Strength without Rare-Earth Compounds and Silicon Nitride Structural Parts and the Manufacturing Method of the Same
KR101681184B1 (en) Composition for Pressureless Sintered Silicon Carbide Material Having Low-Resistivity, Sintered Body and the Producing Method of the Same
Li et al. Effect of magnesium titanate content on microstructures, mechanical performances and dielectric properties of Si3N4-based composite ceramics
US7833922B2 (en) Method of forming aluminum oxynitride material and bodies formed by such methods
US10541064B2 (en) SiC powder, SiC sintered body, SiC slurry and manufacturing method of the same
JPH05238830A (en) Sintered aluminum nitride and its production
Abe Sintering process of Y 2 O 3-added Si 3 N 4
JPH09268069A (en) Highly heat conductive material and its production
KR101860477B1 (en) Composition used for manufacturing SiC-Zr2CN composites and method for manufacturing SiC-Zr2CN composites using the same
KR101698378B1 (en) Silicon carbide ceramics and method for preparing thereof
JPH06191953A (en) Aluminum nitride sintered compact
KR102086571B1 (en) METHOD FOR MANUFACTURING SIALON-BASED CERAMIC MATERIALS HAVING MAINLY α-SIALON FOR CUTTING TOOLS MATERIALS MANUFACTURED THEREBY
Wu et al. Liquid-phase sintering of alumina with YSiAlON oxynitride glass

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application