KR20190123966A - Mo-Si-B 합금의 제조 방법 - Google Patents

Mo-Si-B 합금의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Mo-Si-B 합금에 관한 것으로서, 더 상세하게는 Mo5SiB2상 합금 분말 및 Mo3Si 상을 개별 합성한 후에 산화몰리브덴(MoO3) 및 몰리브덴(Mo)를 첨가하여 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering)를 통해 Mo-Si-B 합금을 제조하는 방법으로, Mo5SiB2상 및 Mo3Si상을 개별 합성함으로써 합금의 조성 분율 조절이 용이하며 또한 산화몰리브덴(MoO3) 및 몰리브덴(Mo)의 후첨가로 인해 최종 합금의 조성을 쉽게 조절할 수 있다.

Description

Mo-Si-B 합금의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF Mo-Si-B ALLOY}
본 발명은 Mo-Si-B 합금의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 Mo5SiB2상 합금 분말 및 Mo3Si상 합금 분말을 개별 합성한 후에 산화몰리브덴(MoO3) 및 몰리브덴(Mo)을 첨가하는 과정을 포함하는 Mo-Si-B 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.
제트 엔진은 핵심 부품 중 하나인 터빈 블레이드는 약 1500℃ 이상의 뜨거운 가스를 접하게 된다. 이러한 높은 온도를 견디기 위해 니켈기 초내열합금(Nickel Base Superalloy)이 사용되는데 이는 융점의 약 90%인 1200℃까지 견딜 수 있어 여러 가지 냉각 시스템이 필수적이다.
따라서 엔진의 사용 온도를 1200℃ 이상으로 올리기 위하여 많은 연구가 진행되었지만, 재료 자체의 융점으로 인해 제한이 따르는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 냉각 시스템 또는 방열 코팅을 통해 사용 온도를 낮추는 방법이 제시되었지만 이에 따라 엔진의 효율이 감소하게 되는 문제점이 있다.
이에 고온에서 사용될 수 있는 재료를 통해 엔진의 효율을 증가시키기 위한 시도가 계속되고 있다. 일반적으로 몰리브덴 실리사이드(Mo-silicide)의 대표적인 금속간 화합물로써 MoSi2 상이 있는데 이는 고온에서 작동 시 표면에 이산화규소(SiO2) 층을 형성시킴으로써 높은 내산화성을 지니지만, 재료 자체의 낮은 취성 때문에 가공성 등에 문제가 있어 제트 엔진에 부적합하다.
이때, 몰리브덴(Mo), 규소(Si) 및 붕소(B)를 첨가한 Mo-Si-B 합금은 MoSi2 상 보다 우수한 기계적 특성을 나타내며 니켈기 초내열 합금보다 높은 2000℃ 이상의 녹는점을 갖는다. 또한 붕소(B)의 첨가로 인해 생기는 상인 Mo5SiB2 상은 고온 산화 시 표면에 치밀한 보로실리케이트(borosilicate) 층을 형성해 우수한 열충격이나 내산화 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.
하지만 금속간 화합물인 Mo5SiB2 상과 Mo3Si 상은 기계적 특성이 충분치 않으므로 이를 보완하기 위해 α-Mo상을 포함하는 Mo-Si-B 합금에 대한 연구가 진행되고 있으며, α-Mo상 또는 금속간화합물 상의 각 성분의 분율을 조절하여 최적화 하려는 노력을 하고 있다.
일반적으로 Mo-Si-B 합금은 주조법을 통해 제조되고 있다. 이러한 합금은 금속간 화합물 상이 기지를 이루고 α-Mo 상이 분산되어 있는 미세조직을 형성하기 때문에 상온에서의 파괴인성이 떨어진다는 단점이 있다.
따라서 이러한 단점을 보완하기 위하여 분말야금법을 이용하여 제조하려는 시도가 있는데 이는 여러 공정을 거치면서 산소 또는 탄소와 같은 불순물이 시편 내에 유입되어 특성 저하를 시킬 수 있다. 하지만 주조법과는 다르게 연속적인 α-Mo 기지 상 내에 금속간 화합물을 분산시킬 수 있다.
이러한 일반적인 방법을 보여주는 것으로는, 미국등록특허번호 제5,595,616호, 미국공개특허번호 제2009-0011266호 등을 들 수 있다. 이중 미국등록특허번호 제5,595,616호는 몰리브덴(Mo), 규소(Si), 붕소(B)를 원료로 하여 아크 용융법(arc-melting)과 이후에 이어지는 가스 분사법(gas-atomization)을 이용하여 합금 분말을 제조한 뒤, 이 분말을 이용하여 압출공정 또는 열간 등압 성형 등의 공정을 통해 Mo-Si-B 합금을 제조하는 공정을 제시하고 있다.
또한, 미국공개특허번호 제2009-0011266호는 몰리브덴(Mo), 질화규소(Si3N4), 질화붕소(BN)를 원료 분말로 사용하며 볼밀링 과정과 상압소결 및 열간 등압 성형을 이용하면서 원료 분말인 질소 화합물로부터 규소(Si)와 붕소(B)를 형성시켜 최종 소결체를 제조하는 공정을 개시하고 있다.
이외에도, Yamauchi 외 연구진은 몰리브덴(Mo), 규소(Si), 붕소(B) 분말을 원료분말로 하여 기계적 합금법으로 볼밀링 과정과 이후에 따르는 어닐링과정, 최종적으로 진밀도화를 위한 방전플라즈마 소결과정을 거쳐 Mo-Si-B 합금을 제조하는 공정을 개시하였다.
그런데 이러한 아크 용융법(arc-melting) 및 가스 분사법(gas-atomization)에 의한 Mo-Si-B 합금 제조는 금속간 화합물이 기지를 이루고, α-Mo가 분산되어 있는 미세조직을 형성하고 있어 파괴인성이 낮아지고 이상적인 미세조직의 구현이 힘들다는 단점이 있다.
또한, 몰리브덴(Mo), 규소(Si), 붕소(B)를 원료분말로 하여 기계적 합금법을 통해 제조된 Mo-Si-B 합금의 경우에는 공정 중에 불순물의 유입으로 인해 산화물 또는 탄화물이 형성되어 합금의 기계적 특성의 저하를 야기 시킬 수 있다.
또한, 몰리브덴(Mo), 질화규소(Si3N4), 질화붕소(BN)를 원료 분말로 사용하여 반응에 의해 Mo-Si-B 합금을 제조 한 경우는 시작물질로 사용되며 원하는 조성을 이루기 위해 많은 양을 차지하고 있는 몰리브덴(Mo) 분말이 산화될 가능성이 있고 복잡한 공정으로 인해 최종 합금 조성의 제어가 힘들다는 단점이 있다.
미국등록특허번호 제5,595,616호 미국공개특허번호 제2009-0011266호 한국공개특허번호 제10-2012-0044712호
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명은 아크 용융법(arc-melting)을 통하여 Mo5SiB2상 합금 분말 및 Mo3Si상 합금 분말을 만든 후, 산화물인 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)의 전구체로 사용하거나 산화몰리브덴(MoO3)을 환원하여 몰리브덴(Mo) 나노분말을 만든 후 이를 사용하여 Mo-Si-B 합금을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 Mo5SiB2상 합금 및 Mo3Si상 합금을 개별적으로 제조함으로써 최종 합금에서 각 상의 분율을 보다 쉽게 조절할 수 있도록 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 Mo-Si-B 합금의 제조방법은 몰리브덴(Mo), 규소(Si), 붕소(B)를 계량한 후 아크 용융법(arc-melting)을 통하여 개별의 Mo5SiB2상 합금 및 Mo3Si상 합금을 제조하는 합금 잉곳 제조 단계, 상기 제조된 합금 잉곳을 볼밀링을 통해 미세한 크기로 분쇄하여 Mo5SiB2상 합금 분말 및 Mo3Si상 합금 분말을 수득하는 분쇄 단계, 상기 Mo5SiB2상 합금 분말 및 상기 Mo3Si상 합금 분말에 산화몰리브덴(MoO3) 분말 또는 환원된 몰리브덴(Mo) 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합 단계, 상기 혼합분말을 건조 후 수소 분위기하에서 가열하여 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)으로 환원시키는 환원 단계, 상기 환원된 혼합분말에 몰리브덴 분말을 첨가하고 혼합하여 Mo-Si-B 합금의 최종 조성으로 조정하는 몰리브덴 혼합 단계, 및 상기 몰리브덴 혼합 단계를 거친 혼합분말을 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)으로 고온에서 가압 소결하여 Mo-Si-B 합금을 제조하는 소결 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 합금 잉곳 제조 단계는, 각 조성에 맞게 계량된 몰리브덴(Mo), 규소(Si) 및 붕소(B)를 불활성 기체 분위기하에서 1400℃ 내지 1800℃로 가열하여 Mo5SiB2상 합금 및 Mo3Si상 합금을 합성하는 가열 단계 및 상기 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳 냉각한 후, 냉각된 상기 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳을 불활성 기체 분위기하에서 1400℃ 내지 1800℃로 재가열하는 과정을 다수회 반복하는 냉각 및 재가열 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉각 및 재가열 단계는, 상기 Mo5SiB2상 합금 및 상기 Mo3Si상 합금을 15℃ 내지 30℃ 온도로 냉각한 다음에 불활성 기체 분위기하에서 1400℃ 내지 1800℃로 재가열하는 단계이다.
상기 냉각 및 재가열 단계는 바람직하게 3회 이상 반복하여 수행하여 균질화된 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳을 제조할 수 있으며, 반복 횟수는 이에 한정되지 않는다.
상기 분쇄 단계는, 상기 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳을 불활성화 기체 분위기하에서 고에너지 볼밀링을 사용하여 소정 크기 이하의 입자로 분쇄할 수 있다.
상기 분쇄 단계는 고에너지 볼밀링을 통해 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳을 입자 크기가 10 내지 50㎛ 정도로 분쇄할 수 있다.
본 발명의 Mo-Si-B 합금 제조 방법에서 상기 합금 잉곳 제조 단계와 상기 분쇄 단계에서 사용하는 불활성화 기체는 원료 분말의 산화를 방지하기 위한 것으로 아르곤, 헬륨 및 네온 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아르곤 기체를 사용할 수 있다.
상기 혼합 단계는, 상기 Mo5SiB2상 합금 분말 및 상기 Mo3Si상 합금 분말에 상기 산화몰리브덴(MoO3) 분말 또는 환원된 몰리브덴(Mo) 분말을 습식혼합 방법으로 고르게 혼합하여 혼합분말을 제조할 수 있다.
상기 습식혼합은 분말사이에 유체가 존재하여 분말 사이의 반데르발스 힘(can der Waals force)이 작용되지 않아 분말을 효율적으로 혼합하는 방법으로서, 본 발명에서는 유체로 에탄올을 이용하여 Mo5SiB2상 합금 분말, Mo3Si상 합금 분말 및 산화몰리브덴(MoO3) 분말을 10시간 정도 충분히 고르게 혼합하였다.
상기 환원 단계는, 상기 혼합분말을 300℃ 내지 1200℃온도로 0 내지 10 시간 동안 가열하여 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)으로 환원시킬 수 있다. 여기서 제시한 시간 조건은 혼합분말의 목표 가열온도에 도달하고 난 후, 가열온도 유지 시간을 의미하는 것으로, 가열시간 0 시간이란 혼합분말의 목표 가열온도에 도달하고 난 후, 더 이상 가열하지 않는 시간조건이다.
상기 소결 단계는, 상기 몰리브덴 혼합 단계를 거친 혼합 분말을 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)으로 60 내지 80℃/분의 속도로 1000℃ 내지 1300℃ 온도까지 가열하여 40 내지 60MPa의 압력으로 소결하여 Mo-Si-B 합금을 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, Mo5SiB2 상 및 Mo3Si 상을 각각 제조한 후 상기 혼합 단계에서 투입을 하기 때문에 각 상의 분율을 조절하기 용이하며 또한 Mo 분말 또한 상기 Mo 혼합 단계에서 추가적으로 첨가되기 때문에 최종 합금의 Mo 분율을 조절하기 용이하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 상기 환원 단계에서 형성된 몰리브덴(Mo) 입자의 미세화로 인해 1000℃ 내지 1400℃ 정도의 온도에서 소결이 가능하며, Mo5SiB2 상 및 Mo3Si상 주위에 몰리브덴(Mo) 입자가 분포됨으로써 Mo 상이 기지를 이루고 Mo5SiB2상 및 Mo3Si 상이 분산물로써 존재하는 미세조직을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 우주-항공용 제트 엔진의 터빈 블레이드 등과 같이 고온의 산소 분위기에서 사용되는 합금에 적용될 수 있으며 이에 미세조직의 제어를 통해 원하는 고온 내산화성 및 고온 기계적 특성이 요구되는 분야에 적용이 가능하다는 점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 Mo-Si-B 합금 제조 과정의 개략적인 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 분쇄를 진행한 후의 Mo5SiB2상 합금 분말(200) 및 Mo3Si상 합금 분말(210)의 주사전자현미경(Scanning Electron microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 상기 도 2에 도시된 파쇄진행 후의 Mo5SiB2상 합금 분말 및 Mo3Si상 합금 분말의 X선 회절도를 나타낸 것이다.
도 4는 건조한 분말 내 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)으로 완전히 환원시킨 후의 Mo(510), Mo5SiB2(520), Mo3Si(530) 의 X선 회절도 분석 결과이다.
도 5는 건조시킨 분말의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석 결과이다.
도 6은 합금 제조 후의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석 결과이다.
이하, 본 발명의 Mo-Si-B 합금 제조에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일 유사한 구성에 대해서는 동일 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명은 Mo-Si-B 합금에서 각 성분의 분율 조절을 용이하게 하기 위해 Mo5SiB2상과 Mo3Si상의 개별 합성 후 이를 이용하여 Mo-Si-B 합금을 제조하는 방법이다. 이러한 공정을 보여주는 도면이 도 1에 도시된다.
본 발명에서 '분율'이란 제조된 Mo-Si-B 합금의 전체 함량 중에서 각 성분이 포함되는 함량의 비율로 몰 분율을 의미한다.
도 1에 도시된 바와 같이 몰리브덴(Mo), 규소(Si), 붕소(B)를 원료분말로 하여 준비하고(S110), 준비된 원료분말을 아크 용융법을 통해 각각의 Mo5SiB2상 합금 잉곳과 Mo3Si상 합금 잉곳을 제조하는 단계(S120), Mo5SiB2상 합금 잉곳과 Mo3Si상 합금 잉곳을 미세한 크기로 분쇄하는 단계(S130), 분쇄된 Mo5SiB2상 합금 분말과 Mo3Si상 합금 분말에 산화몰리브덴(MoO3)과 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계(S140), 상기 혼합분말의 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)으로 환원하는 단계(S150), 최종 Mo-Si-B 합금 조성에 맞게 몰리브덴(Mo) 분말을 추가한 후 혼합하는 단계(S160), 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)을 통해 고온에서 가압 소결하는 단계(S170)을 포함한다.
먼저 S120 단계의 아크 용융법(arc-melting)은 S110 단계를 통해 소정의 함량으로 계량된 몰리브덴(Mo) 분말, 규소(Si) 분말, 붕소(B) 분말을 원료로 사용하여 아르곤 분위기에서 1400℃ 내지 1800℃의 고온으로 가열하여 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 Mo3Si상 합금 잉곳을 각각 개별적으로 제조할 수 있다.
이때, Mo5SiB2 상 및 Mo3Si 상의 균질화를 위하여 시편을 위아래를 뒤집어 15℃ 내지 30℃의 상온으로 냉각된 시편을 1400℃ 내지 1800℃의 고온으로 다시 재가열하는 공정을 3번 이상 반복하여야 한다.
이러한 Mo5SiB2 합금 잉곳 및 Mo3Si 합금 잉곳은 S130 단계와 같이 고에너지 볼밀링을 사용하여 기계적 에너지에 의해 균일하고 마이크론(㎛) 급의 복합분말의 제조가 가능하다.
이때, 볼밀링 시간이 지날수록 미세화 되는 효과가 커지며, 이 마이크론급 분말은 합금이 미세한 결정립을 갖는 것에 기여할 것으로 예상된다.
이러한 마이크론 급 Mo5SiB2 합금 분말 및 Mo3Si 합금 분말은 산화몰리브덴(MoO3) 분말과 혼합한 후(S140), 수소분위기에서 혼합분말 내에 존재하는 산화몰리브덴(MoO3)의 환원을 통해 몰리브덴(Mo)를 제공하게 된다(S150).
일반적으로 산화몰리브덴(MoO3)와 같은 몰리브덴 산화물은 600℃ 내지 1100℃의 온도 범위에서 수소 환원 공정을 통해 몰리브덴으로 환원 가능하다고 알려져 있으며 반응식은 다음과 같이 요약하여 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
MoO3(s) + H2(g) → MoO2(s) + H2O(g)
MoO3(s) + 2H2O(g) → MoO3(OH)2(g) + H2(g)
MoO3(OH)2(g) + 2H2(g) → MoO2(s) + 3H2O(g)
[반응식 2]
MoO2(s) + 2H2(g) → Mo(s) + 2H2O(g)
이렇게 산화몰리브덴(MoO3)의 환원을 진행한 후, S160 단계와 같이 최종 Mo의 조성과 같게 몰리브덴(Mo) 분말을 추가한다.
이후 S170 단계로 몰리브덴(Mo) 분말이 첨가된 혼합 분말을 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)을 통해 160 내지 80℃/분의 속도로 1000℃ 내지 1300℃ 온도까지 가열하여 40 내지 60MPa의 압력으로 소결을 진행하여 Mo-Si-B 합금을 제조한다.
이때, 몰리브덴(Mo)은 기지상을 이루게 되고 Mo5SiB2 상 및 Mo3Si 상은 분산상을 이루게 된다. 이는 합금의 기계적 특성에 영향을 미칠 것으로 예상된다.
본 발명의 Mo-Si-B 합금을 제조방법은 아크 용융법(arc-melting)의 가열처리를 통한 Mo5SiB2상 및 Mo3Si상을 만드는 공정은 아르곤 분위기하에서 반응을 하기 ?문에 화학적으로 안정한다. 이후 몰리브덴(Mo)의 전구체로 산화몰리브덴(MoO3)를 사용하기 때문에 환원이 되기 전까지는 마찬가지로 화학적으로 안정하다. 또한, 이후 몰리브덴(Mo)을 추가적으로 첨가하는 공정하여 방전플라즈마 소결을 수행하는 공정도 아르곤 분위기에서 실시하기 때문에 불순물과의 반응을 최소화시킬 수 있다. 이렇게 제조된 Mo-Si-B 합금은 원하는 미세구조를 갖도록 각 상의 분율을 조절할 수 있기 때문에 우수한 기계적 특성을 갖는다.
[실시예]
1) 아크용융법을 통한 Mo5SiB2 상 및 Mo3Si 상의 제조
원료(raw material)로는 순도 99.9% 이상의 Mo, 순도 99.99 이상의 Si, 순도 99.9 이상의 B를 사용하였다. 이들의 조성은 아크용융한 후, 각각 몰리브덴(Mo), 규소(Si), 붕소(B)의 몰 분율로 5:1:2 또는 3:1:0의 조성을 가질 수 있도록 하여 아르곤 분위기 하에서 아크용융법(arc-melting)을 실시한다.
이후, Mo5SiB2 및 Mo3Si 잉곳의 미세화를 위해 고에너지 볼밀링을 사용하여 분쇄를 실시한다. 도 2는 분쇄를 진행한 후의 Mo5SiB2상 및 Mo3Si상의 사전자현미경(Scanning Electron microscope, SEM)으로 분석한 결과이다. 도 2에 도시된 바와 같, Mo5SiB2의 SEM 분석 결과(200) 및 Mo3Si의 SEM 분석 결과(210)에서 입자가 큰 분말과 입자가 작은 분말이 혼재된 것을 확인할 수 있다. Mo5SiB2상 및 Mo3Si상은 상온에서 취성이 크기 때문에 적은 시간의 밀링에도 쉽게 분쇄되는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 분쇄된 Mo5SiB2상 및 Mo3Si상 분말의 X선 회절도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 순수한 Mo5SiB2상(400) 및 Mo3Si상(410)이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
2) 산화몰리브덴(MoO3) 분말 혼합 및 산화몰리브덴(MoO3) 상의 수소 환원
파쇄를 완료한 Mo5SiB2 및 Mo3Si 분말과 소정의 양의 산화몰리브덴(MoO3) 분말을 에탄올을 용매로 하여 지르코니아(ZrO2) 볼과 10시간 동안 볼밀링을 실시한다. 이후 이베퍼레이터(evaporator) 장비를 사용하여 혼합된 분말을 건조시킨 후, 수소 환원을 진행시킨다. 수소 환원 공정은 건조된 분말을 전기로에 장입하고 수소 분위기를 유지한 상태로 600℃ 내지 1000℃까지 승온 후 2 내지 4 시간 동안 수소 환원을 진행한다.
도 4는 건조한 분말 내 산화몰리브덴(MoO3)를 몰리브덴(Mo)으로 완전히 환원시킨 후의 Mo(510), Mo5SiB2(520), Mo3Si(530) 의 X선 회절도 분석 결과이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 600℃ 내지 1000℃에서 2 내지 4 시간 수소 환원을 진행하여 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)으로 완전하게 환원할 수 있었으며, Mo5SiB2 상 및 Mo3Si 상은 변함이 없는 것으로 확인되었다.
3) 최종 조성에 맞게 Mo 분말 추가 및 혼합
최종 조성에 맞추기 위하여 환원된 분말에 몰리브덴(Mo)을 추가적으로 첨가하여 혼합을 진행한다. 이때, 에탄올을 용매로 하여 10시간 동안 밀링을 진행한 후에 이베퍼레이터(evaporator) 장비를 사용하여 혼합된 분말을 건조시킨다. 도 5는 건조시킨 분말의 주사전자현미경(Scanning Electron microscope, SEM) 분석 결과이다. 상대적으로 큰 입자(610)들이 Mo5SiB2 상 및 Mo3Si 상으로 확인이 되며 상대적으로 작은 입자(620)들이 환원된 Mo로 확인된다.
4) 방전플라즈마 소결법을 통한 Mo-Si-B 합금 제조
몰리브덴(Mo)을 추가적으로 첨가된 분말을 대상으로 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)을 통해 고온, 고압의 조건의 소결방법으로 Mo-Si-B 합금 제조를 실시한다. 산화 방지를 위해 불활성화 기체로 아르곤 기체 분위기하에서 소결을 진행하였으며, 분당 70℃의 승온 속도로 1000℃까지 가열하였으며 가열 중 50 MPa의 압력을 가하였다.
이렇게 제조된 Mo-Si-B 합금을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석하여 도 6에 나타내었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 밝은 회색 부분은 Mo(710) 상으로 판단이 되며, 어두운 회색 부분은 Mo5SiB2(720) 상 및 Mo3Si(720) 상, 검은색 부분은 이산화규소(SiO2)(730)로 판단된다. 최종적으로 이와 같은 공정을 거쳐 Mo상 및 Mo5SiB2상, Mo3Si상의 분율 조절이 가능한 Mo-Si-B 소결체를 제조하는 것이 가능하다.
앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시하도록 하는 바람직한 실시예 일뿐 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변경이 가능하다.

Claims (10)

  1. 몰리브덴(Mo), 규소(Si), 붕소(B)를 계량한 후 아크 용융법(arc-melting)을 통하여 개별의 Mo5SiB2상 합금 및 Mo3Si상 합금을 제조하는 합금 잉곳 제조 단계;
    상기 제조된 합금 잉곳을 볼밀링을 통해 미세한 크기로 분쇄하여 Mo5SiB2상 합금 분말 및 Mo3Si상 합금 분말을 수득하는 분쇄 단계;
    상기 Mo5SiB2상 합금 분말 및 상기 Mo3Si상 합금 분말에 산화몰리브덴(MoO3) 분말 또는 환원된 몰리브덴(Mo) 분말을 혼합하여 혼합분말을 제조하는 혼합 단계;
    상기 혼합분말을 건조 후 수소 분위기하에서 가열하여 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)으로 환원시키는 환원 단계;
    상기 환원된 혼합분말에 몰리브덴 분말을 첨가하고 혼합하여 Mo-Si-B 합금의 최종 조성으로 조정하는 몰리브덴 혼합 단계; 및
    상기 몰리브덴 혼합 단계를 거친 혼합분말을 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)으로 고온에서 가압 소결하여 Mo-Si-B 합금을 제조하는 소결 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 합금 잉곳 제조 단계는,
    계량된 몰리브덴(Mo), 규소(Si) 및 붕소(B)를 불활성 기체 분위기하에서 1400℃ 내지 1800℃로 가열하여 Mo5SiB2상 합금 및 Mo3Si상 합금을 합성하는 가열 단계; 및
    상기 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳 냉각한 후, 냉각된 상기 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳을 불활성 기체 분위기하에서 1400℃ 내지 1800℃로 재가열하는 과정을 다수회 반복하는 냉각 및 재가열 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 및 재가열 단계는,
    상기 Mo5SiB2상 합금 및 상기 Mo3Si상 합금을 15℃ 내지 30℃ 온도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 및 재가열 단계는 3회 이상 반복하여 수행하여 균질화된 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳을 제조하는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 아르곤, 헬륨 및 네온 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분쇄 단계는,
    상기 Mo5SiB2상 합금 잉곳 및 상기 Mo3Si상 합금 잉곳을 불활성화 기체 분위기하에서 고에너지 볼밀링을 사용하여 소정 크기 이하의 입자로 분쇄하는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 아르곤, 헬륨 및 네온 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 단계는,
    상기 Mo5SiB2상 합금 분말 및 상기 Mo3Si상 합금 분말에 상기 산화몰리브덴(MoO3) 분말 또는 환원된 몰리브덴(Mo) 분말을 습식혼합 방법으로 고르게 혼합하여 혼합분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 환원 단계는,
    상기 혼합분말을 300℃ 내지 1200℃ 온도로 가열하여 산화몰리브덴(MoO3)을 몰리브덴(Mo)으로 환원시키는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 소결 단계는,
    상기 몰리브덴 혼합 단계를 거친 혼합 분말을 방전플라즈마 소결법(spark plasma sintering, SPS)으로 60 내지 80℃/분의 속도로 1000℃ 내지 1300℃ 온도까지 가열하여 40 내지 60MPa의 압력으로 소결하는 것을 특징으로 하는 Mo-Si-B 합금 제조 방법.
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