KR910003901B1 - 고인성 탄화규소질 소결체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고인성 탄화규소질 소결체의 제조방법

제 1 도는 소결온도에 따른 소결밀도의 변화를 나타내는 그래프.

제 2 도는 소결시간에 따른 소결밀도의 변화를 나타내는 그래프.

제 3 도는 소결조제의 양에 따른 소결밀도의 변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 내열성, 고온강도, 내마모성 및 내부식성등이 극히 우수하여 엔진부품, 열교환기부품등의 고온 구조재료로서 광범위한 응용성을 갖고 있는 탄화규소(SiC)질 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

난소결성물질로 알려져 있는 탄화규소질 소결체의 제조방법으로는 크게 가압소결법과 상압소결법의 두가지가 있는데, 가압소결법은 쉽게 치밀한 소결체를 얻을 수 있다는 장점이 있으나 복잡형상체의 제조나 대량생산이 불가능하다는 단점이 있다. 따라서 보다 다양한 형태의 제품을 경제적으로 대량생산하기 위해서는 상압소결법에 의존하여야 하는데 이때 치밀한 소결밀도를 얻기위하여서는 소결조제의 사용이 필수적인 것으로 알려져 있다.

상압소결법으로 치밀한 탄화규소질 소결체를 얻기위하여, 보론(B)과 카본(C)을 소결조제로 첨가하는 방법이 USP4,004,934호와 4,346,049호에 그리고 알루미늄(Al)과 카본을 첨가하는 방법이 USP4,122,689호에 각각 제시되어 있는데 이때 그 소결온도는 적어도 1950℃ 이상이어야 하며, 실제로 95% 이상의 소결밀도를 갖는 치밀한 소결체를 제조하기 위해서는 대략 2050℃ 이상의 온도가 필요한 것으로 알려져있다. 또한 이 방법으로 제조되는 탄화규소질 소결체는 대략 2-4MPa

정도의 낮은 파괴인성을 가지기 때문에 응용시 신뢰도의 향상에 제약이 따르는 것으로 알려져 있다.

한편 산화알루미늄(Al₂O₃)을 소결조제로 첨가하는 방법(Asahi Glass Rep, V36, P25)도 알려져 있는데 이때 소결체의 파괴인성은 대략 4MPa

정도로 높게 나타나는 반면 산화알루미늄의 융점이 2050℃ 근처 임으로 해서 이 방법역시 2000℃ 정도의 높은 온도에서 소결하여야만 치밀한 소결체를 얻을 수 있는 것이다.

이에 본 발명자들은 수차에 걸친 연구와 실험을 통해 종래의 소결조제 대신에 산화이트륨(Y₂O₃)과 산화알루미늄(Al₂O₃)을 동시에 소결조제로 첨가함으로써 종래의 소결온도보다 훨씬 낮은 온도(최소 1750℃)에서 소결하고서도 높은 파괴인성을 갖는 탄화규소질 소결체를 제조하고자 하는 것이다.

본 발명은 탄화규소분말에 소결조제로서 1.2-7.5wt%의 산화이트륨과 1.5-9wt%의 산화알루미늄을 첨가하여 혼합하거나 또는 상기 조성의 범위내에서 산화이트륨과 산화알루미늄을 미리 혼합한후 탄화규소분말과 혼합하여 건조 및 조립화와 철재 또는 경질고무재금형을 사용한 일반적인 성형공정을 거친뒤 1750-1950℃의 온도에서 상압소결하는 고인성 탄화규소질 소결체의 제조방법에 관한 것이다. 상기 소결조제의 조성범위는 산화이트륨과 산화알루미늄이 공용액상을 형성하기 쉬운 조성인 5 : 5 내지 4 : 6의 비율범위로 혼합하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 소결조제의 합이 3-15%로 이루어지는 것이 보다 바람직한데, 그 이유는 대략 3% 미만일때는 생성되는 액상량이 불충분하여 치밀한 소결체를 얻기가 곤란하며, 대략 15% 이상에서는 치밀한 소결체를 얻을 수는 있으나 산화이트륨의 희소성을 고려할때 경제적인 문제가 있기 때문이다.

또한, 상압소결온도는 산화이트륨과 산화알루미늄의 공융액상이 형성되기 시작하는 온도가 1750℃ 근처이므로 그 이하의 온도에서는 치밀화가 거의 진행되지 않으며, 그 상한치는 경제적인 측면에서 제한되는 것으로서 1950℃가 바람직하다.

본 발명을 도식적으로 설명하기 위하여, 소결온도, 소결시간 및 소결조제의 양이 소결밀도에 미치는 영향을 각각, 제 1 도, 제 2 도 및 제 3 도에 나타내었다.

제 1 도에 나타낸 본 발명 소결체의 소결밀도는 본 발명의 범위인 1750-1950℃의 온도범위에서 소결온도가 상승함에 따라 약간씩 증가하기는 하나 전체적으로 그 변화의 폭은 매우 작은것으로 나타났는데 이는 1750℃정도에서 산화이트륨과 산화알루미늄의 공융액상이 형성되고 이 액상에 의해 치밀화가 진행되기 때문이다.

제 2 도에 나타낸 소결밀도는 소결시간에 따른 변화 역시, 제 1 도의 경우와 마찬가지로 극히 작은 것으로 나타났는데, 이또한 특정온도 이상에서 치밀화가 급격히 진행되는 액상소결시의 전형적인 현상으로 본 발명의 온도범위내에서는 소결시간이 소결밀도에 큰 영향을 미치지 않음을 보여주고 있다.

한편, 제 3 도에서는 같은 온도에서 같은 조건으로 소결했을때 소결조제의 양이 증가함에 따라 소결밀도가 매우 많이 향상됨을 보여주는데, 소결조제의 양 즉 소결온도에서 형성되는 액상의 양을 충분히 해주는 것이 치밀화에 지대한 영향을 미치기 때문이다.

또한 제 3 도에서는 두가지 서로다른 상조성(Phase Composition)을 갖는 탄화규소분말에서, 즉 하나는 90% 이상이 알파상(α-phase)으로 구성된 경우(탄화규소분말)와 그리고 또 하나는 베타상(β-phase)과 무질서상(disordered phase)이 비율이 60%를 넘는경우(탄화규소분말 B)의 두 경우 모두에서 같은 치밀화경향을 보임으로써 본 발명이 탄화규소분말의 상조성에 관계없이 적용된다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기의 소결조제들을 첨가함으로서 소결온도인 1750℃ 이상에서 산화이트륨과 산화알루미늄의 공융액상이 형성되어 이 액상이 탄화규소분말의 소결을 촉진시켜 치밀한 소결체를 얻게되는 것이다(이때 탄화규소분말의 표면에 필연적으로 존재하는 미량의 불순물 이산화규소도 이 공융액상형성반응에 참여하는 것으로 본다). 또한 이 액상은 소결후에는 소결체내의 입계에 이차상으로 존재하게되며 소결체는 이 이차상에 의한 균열전파방해(Crack Deflection) 기구에 의해 높은 파괴인성을 갖게되는 것이다. 이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

평균입도가 0.6μm 정도인 탄화규소분말에 산화이트륨과 산화알루미늄을 하기표 1의 무게비로 첨가하여 볼밀방법으로 혼합하였다. 상기 소결조제의 조성은 산화이트륨과 산화알루미늄이 공융액상을 형성하기 쉬운 조성인 5 : 5 내지 4 : 6의 비율범위에서 그 합 즉 소결조제의 총량이 3%로부터 15%까지 되도록 조정한 것이다.

또한 비교시험을 위하여 같은 탄화규소분말에 보론과 카본을 각각 1%와 2% 함께 첨가하여 혼합한 배치와 산화알루미늄만을 3% 첨가하여 혼합한 배치를 준비하였다.

혼합된 분말들은 일반적인 소결체 제조공정에 따라 건조와 조립화의 과정을 거친뒤 200MPa 정도의 압력으로 원반 또는 막대형상으로 성형되었다.

성형된 시편들은 흑연발열체를 사용한 로에서 1750℃-2050℃의 온도범위에서 상압소결되었으며, 소결중에는 아르곤가스를 흘려주며 불활성분위기를 유지하였다.

상기와 같이 소결된 시편에 대하여 소결밀도(%) 및 파괴인성(MPa

)을 측정하여 그결과를 하기표 1에 나타내었다.

[표 1]

상기표 1에 나타난 바와같이, 종래의 기술인 보론과 카본 또는 산화알루미늄만을 소결조제로 첨가한 시편들은 2000℃ 이상의 고온에서만 85% 이상의 치밀한 소결밀도를 달성할 수 있었음에 반하여 본 발명의 기술인 산화이트륨과 산화알루미늄을 혼합소결조제로 첨가한 경우는 보다 낮은 온도에서도 치밀한 소결밀도를 달성할 수 있음을 알 수 있다. 또한 산화이트륨과 산화알루미늄을 동시에 소결조제로 첨가한 시편의 경우 최소 4.0, 최고 5.5MPa

까지의 높은 파괴인성을 나타냄으로써 본 발명이 보다 낮은 온도에서 소결하고서도 높은 신뢰성을 갖는 소결체를 제조할 수 있음을 보이고 있다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의한 산화이트륨과 산화알루미늄을 혼합소결조제로 첨가하여 소결한 탄화규소질 소결체는 종래의 방법보다 훨씬 낮은 온도에서도 최소 825, 최고 97%까지의 치밀한 소결밀도를 갖고, 최소 4.0, 최고 5.5MPa

의 높은 파괴인성을 갖는 소결체로 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 탄화규소분말을 상압소결하여 탄화규소질 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 탄화규소분말에 1.2-7.5wt%의 산화이트륨 및 1.5-9wt%의 산화알루미늄을 동시에 첨가하여 혼합한 후 통상적인 성형공정을 거친 뒤 1750-1950℃의 온도범위에서 상압소결함을 특징으로 하는 고인성 탄화규소질 소결체의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 산화이트륨과 산화알루미늄의 합이 3-15wt%임을 특징으로 하는 고인성 탄화규소질 소결체의 제조방법.

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