KR910002077B1 - Si_3N_4- Al_2O_3 복합소결체 및 그 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

Si3N4-Al2O3복합소결체 및 그 제조방법

본 발명은 Si₃N₄-Al₂O₃복합소결체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 고온고강도인 구조재료로써 적합한 Si₃N₄-Al₂O₃복합소결체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Al₂O₃는 직접회로의 기판이나 패키지 절삭공구 칩, 내화재료로 널리 이용되고 있다.

그러나, 강도가 특히 1000℃이상에서 질화규소 소결체나 탄화규소 소결체에 비교하여 낮으며, 엔진부품등의 구조재료로써의 이용이 제한되고 있다. Al₂O₃강도증대, 인성강화를 위해 SiC 위스커를 Al₂O₃속에서 분산하게 되어 있다.

아메리칸 세라믹스 소사이어티 불리틴 64[2] 298-304(1985)에는 SiC 위스커의 분산에 의한 Al₂O₃소결체의 인성강화가 서술되어 있다.

그러나, 이들 소결체를 공기속에서 가열한 경우, SiC 산화가 심해져 온도가 저하하며, 고온에서는 장시간 사용할 수 없는 결점이 있었다.

또, 특개소 55-126574호 공보, 특개소 59-78972호 공보, 특개소 62-187174호 공보에는 Si₃N₄를 첨가한 Al₂O₃에 있어서 각각 Si₃N₄입자가 분산된 Al₂O₃소결체, 또는 사이아론 매트릭속에서 Al₂O₃입자가 분산된 소결체가 강도증대, 인성강화 및 경도증대된 것에 관하여 서술하고 있다.

그러나, 이들 소결체에서는 고온특성에 관하여 언급되지 않고 있다든지, 충분한 강도증대, 인성강화가 달성되어 있지 않는다든지 또는 Y₂O₃스피넬등의 소결조제를 포함한 고온강도를 기대할 수 없는 것이었다.

본 발명의 목적은 이러한 결점을 해결하며, 실온에서부터 고온에서 고강도이며,

내산화성이 뛰어난 엔진부품의 구조재료로써 적합합 소결체를 얻을 수 있는 Si₃N₄- Al₂O₃복합소결체 및 그 제조방법을 제공하려 하는 것이다.

본 발명의 Si₃N₄-Al₂O₃복합소결체는 Si₃N₄10-45mol%를 포함하며, 잔부가 Al₂O₃분말이며, Si, Al 이외의 금속 원소 함유량이 0.5중량%이하인 조합분말을 형성하며, 1500-1900℃에서 소결하여 얻어지며 Si₃N₄와 사이아론으로부터 추출되는 1종류 또는 2종류의 결정상과 α-Al₂O₃로부터 되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또 본 발명의 Si₃N₄-Al₂O₃복합소결체의 제조방법은 Si₃N₄10-45mol%를 포함하고, 나머지가 Al₂O₃분말이며, Si, Al 이외의 금속원소 함유량이 0.5중량%인 조합분말을 형성하며, 1500-1900℃에서 소결하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 Si₃N₄-Al₂O₃복합소결체 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.

원료인 Si₃N₄분말 및 Al₂O₃분말은 고순도이며 미세한 것이 좋다.

Si, Al 이외의 금속원소 불순물이 0.5중량%이하이어야만 된다.

또 Si₃N₄분말속의 산소가 그중량%이하, Si₃N₄입자지름 5μm이하가 좋다.

금속원소 불순물은 소결체속에 유리질로써 잔류하며, 고온특성을 저하시킨다.

원료의 Al₂O₃분말은 소성후 α-Al₂O₃가 되는 것이라면 γ-Al₂O₃등도 좋다.

Si₃N₄분말은

형이나,

형이라도 좋다.

이상과 같이 Si₃N₄분말 10-54mol% 나머지가Al₂O₃분말이며, Si, Al 이외의 금속원소 함유량이 0.5중량%이하인 조합분말을 혼합하여 성형용의 조합분말을 얻는다

소결조제는 불순물과 같이 소결체속에 유리질로써 잔류하며, 고온특성을 저하시키기 때문에 첨가하면 않된다.

혼합은 볼밀등에 의해 습식 또는 건식에서 행한다.

얻어진 조합분말은 건직 프레스, 사출 성형등에 의해 원하는 형상으로 성형한다

Si₃N₄분말, Al₂O₃분말의 조합분말의 성형체는 상압소결,고온프레스, 열간정수 압가압소결(HIP)에 의해 치밀화한다.

이때Si₃N₄는 일부 또는 전부가Al₂O₃와 대응하여 사이아론이 된다.

한편, Al₂O₃는 일부가Si₃N₄와 반응하지만,

-Al₂O₃로써 잔류한다.

이러한 반응에 의해 본 발명의Si₃N₄와 사이아론으로부터 추출되는 1종류 또는 2종류의 결정상과

- Al₂O₃로부터 되는Si₃N₄-Al₂O₃복합소결체가 얻어진다.

이러한 반응과 치밀화를 위한 소결 온도는 1500-1900℃가 바람직하다.

소결온도가 1500℃를 밑돌면 소결체가 충분히 치밀화되지 않으며, 또 1900℃를 넘으면 Si₃N₄, Al₂O₃의 입자성장 반응증발이 심해지며, 강도저하, 고온특성의 약화, 부피밀도저하가 일어난다.

Si₃N₄는 10-45mol%를 포함하여야만 하며, 10mol%를 밑돌면Si₃N₄의 첨가효과가 없어지며, 45mol%를 넘으면 소결중에 소결체 전부가 사이아론으로 되어 복합효과가 없어진다.

Si₃N₄가 25-45mol% 포함된 것이면 더욱 바람직하다.

Si, Al이외의 금속원소 불순물이 0.5중량%를 넘으면 소결체속에 유리질로써 잔류하며, 고온특성을 저하시킨다

소성 분위기는Si₃N₄의 산화를 방지하기 위해 질소아르곤등의 불활성 분위기가 좋다.

열간정수압가압 소결에서는 미리 상압소결, 고온 프레스에서 열린 가공이 적은 예비소결체를 만들어 열간 정수압가압 소결하는 방법, 성형체에 금속, 유리등으로 기밀시일 처리하여 열간정수압가압 소결하는 방법등이 가능하다.

이하, 실제의 예에 관하여 설명한다.

Si, Al 이외의 금속원소 불순물이 0.2중량%, 순도 98%의

-Si₃N₄분말과 평균 입자지름 0.5㎛에서, 순도 99.8%이상의

-Al₂O₃분말을 표1 기재의 조합비율로 조합하여 폴리에틸렌 피복 철 볼과 폴리에틸렌 용기를 사용하여 10시간 아세톤 습식혼합했다.

얻어진 조합분말을 지격 50㎜ 두께 10㎜로 예비성형하여 200MPa에서 정수합 프레스했다.

얻어진 성형체를 표1 기재의 온도에서 압력 30MPa로 고온프레스하여, 본 발명의 Si₃N₄- Al₂O₃복합소결체의 실시예 1-5 및 비교예 6,7을 얻었다,

또 순도 99%이상의 Y₂O₃, MgO를 가하여, 실시예 1-5 및 비교예 6, 7과 같은 방법에 의해 비교예 8, 9를 얻었다.

어느쪽도 기공률 1%이하의 치밀한 소결체이었다.

실시예 1-5 및 비교예 6-9에 관하여 X선 회절에 의한 소결상을 표1에 기재했다.

더우기, 실시예 1-5와 비교예 6-9에 관하여, JIS-R1601에 의해 실온, 1300℃의 3점 굽힘 강도를 측정하여 표1에 기재했다.

또 실시예 1-5와 비교예 6-9의 3점굽힘 강도 시험편을 1300℃에서 100시간 공기중에서 가열하여 단위 표면적당의 중량증가를 측정하여 표1에 기재했다.

[표 1]

이상과 같이, 본 발명의 Si₃N₄-Al₂O₃복합소결체는 3점굽힘 강도가 1300℃에서 500MPa이상이며, 실온강도의 저하가 없으며, 또 1300℃에 있어서 100시간의 산화증량이 0.1㎎/㎠ 이하와, 본 발명 이외의 비교예와 비교하여 고온에 있어서 고강도이며, 내산화성이 뛰어난 것이다.

Claims (3)

1. Si₃N₄10-45mol%를 포함하고, 나머지가 Al₂O₃분말이며, Si, Al 이외의 금속원소 함유량이 0.5중량%이하인 조합 분말을 성형하여 1500-1900℃에서 얻어지며, Si₃N₄와 사이아론으로부터 추출되는 1종류 또는 2종류의 결정상과

   

   -Al₂O₃로부터 되는 것을 특징으로 하는 Si₃N₄- Al₂O₃복합소결체.
2. 제1항에 있어서, Si₃N₄25-45mol%를 포함하는 조합분말을 성형하여 1500-1900℃에서 소결되어 얻어지는 것을 특징으로 하는 Si₃N₄- Al₂O₃복합소결체.
3. Si₃N₄10-45mol%를 포함하고, 나머지가 Al₂O₃분말이며, Si, Al이외의 금속원소 함유량이 0.5중량%이하인 조합분말을 성형하여 1500-1900℃에서 소결하는 것을 특징으로 하는 Si₃N₄- Al₂O₃복합소결체의 제조방법.