KR920006112B1 - 고인성 탄화규소 소결체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고인성 탄화규소 소결체의 제조방법

본 발명은 고온 구조재료에 사용되는 고인성의 탄화규소 소결체의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 소결조제인 알루미나(A1₂O₃)의 파괴인성 증진원인 부분안정화 지르코니아(Partially Stabilized ZrO₂)의 입자크기가 1μm이하인 초미립을 사용하므로써 종래의 소결온도보다 훨씬 낮은 온도에서 소결하고서도 높은 파괴인성을 갖는 탄화규소 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 탄화규소는 내열성, 고온강도, 내식성 및 내부식성이 우수하기 때문에 광범위한 응용성을 갖고 있으나, 낮은 체 확산계수로 인하여 소결이 어려울뿐만아니라 치밀화된 소결체는 파괴인성이 낮은 결점을 가지고 있다. 이러한 결점을 해결하기 위한 종래의 방법으로는 보론(B)과 카본(C)을 소결조제로 첨가하여 치밀한 탄화규소 소결체를 얻기 위한 방법들(USP 4,004,934와 USP 4,l08,929)이 알려져 있다. 그러나 이들 방법으로 제조된 탄화규소는 약 2-4

정도의 낮은 파괴인성을 갖고 있기 때문에 광범위한 응용에 제약이 따르는 단점이 있다. 또다른 종래방법으로는 탄화붕소(B₄C), 알루미나, 베릴리아(BeO)등을 소결조제로 참가함과 동시에 부분안정화 지르코니아를 탄화규소 기지(mtrix)내에 분산시킴으로써 파괴인성이 뛰어난 탄화규소 소결체를 제조하는 방법(J 58,091,062)이 알려져 있다.

그러나, 이 방법은 소결체의 파괴인성 및 강도는 증가 시킬 수 있지만, 2150℃정도의 높은 온도에서 소결하여야 하는 문제점이 있다. 이에, 본 발명자는 소결조제인 알루미나와 파괴인성 증진원인 부분안정화 지르코니아의 입자크기를 초미립으로 하여 표면적즉, 반응면적을 증가시키고, 이트리아(Y₂O₃)가 고용된 부분안정화 지르코니아를 사용하고, 그리고 탄화규소에 대한 알루미나와 부분안정화 지르코니아의 첨가량을 적절하게 조정하므로서 소결온도를 낮추고 소결성을 증진시킬수 있다는데 착안하여, 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 낮은온도에서 소결하면서도 높은 파괴인성을 갖고 고인성 탄화규소 소결체를 제조하고자하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은, 탄화규소분말에 소결조제인 알루미나와 파괴인성 증진원인 부분안정화 지르코니아를 첨가하여 고인성 탄화규소 소결체를 제조함에 있어서, 탄화규소분말에 평균입도가 1μm 이하이며 이트리아(Y₂O₃)가 10-14 wt% 고용된 부분안정화 지르코니아를 25-44 wt% 및 평균입도 1μm 이하의 알루미나를 0.7-1.1 wt% 첨가하여 혼합한후, 불활성기체 분위기하 1700-2000℃에서 200-300 kg/cm²의 압력을 가하여 소결하는 고인성 탄화규소 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 상기 수치한정 이유에 대하여 설명한다.

본 발명에서 탄화규소에 첨가할 알루미나 및 지르코니아의 평균입도를 1μm 이하로 한정한 이유는 입자를 작게하여 표면적(Surface area)을 증가시켜 탄화규소(SiC)의 소결성을 증진시키기 위함이다. 또한, 상기 부분안정화 지르코니아로는 이트리아(Y₂O₃)가 고용된 부분안정화 지르코니아를 사용하는데, 이것은 지르코니아에 고용되어 있던 이트리아가 열간 가압소결시 입계로 확산되어 나와 탄화규소 입자 표면에 존재하는 실리카(SiO₂) 및 소결조제로 첨가된 알루미나와 액상을 형성하여 이 액상을 통한 탄화규소의 용해 및 재석출 과정에 의해 치밀화가 일어나기 때문이다.

그러나, 상기 부분안정화 지르코니아에 고용되는 이트리아는 10wt% 미만일 때는 탄화규소의 소결에 필요한 양이 부족하게 되어 치밀한 소결체를 얻을 수 없고, 15wt% 이상일때에는 더 이상의 파괴인성 증진효과를 기대할 수 없기 때문에 10-14wt%로 한정하는 것이 바람직하다. 탄화규소에 첨가된 상기 부분 안정화 지르코니아는 탄화규소의 소결을 촉진시킬 뿐만 아니라 탄화규소와 큰 열팽창 계수차로 인하여 냉각시 입계에 잔류응력을 유발시켜 파괴시 균열굴절에 의한 파괴인성 증진효과를 가져오게 하기 위하여 첨가되는 성분으로서, 25wt% 미만일 때는 소결시 액상형성에 관여하는 이토리아의 양이 불충분하여 치밀한 소결체를 얻기가 곤란하게 되어 파괴인성 증진 효과를 충분히 발휘할 수 없으며, 25μm 이상 첨가되는 경우에는 함량이 증가함에 따라 소결성 및 파괴인성은 증가하나 45%이상 첨가시는 뚜렷한 증가효과가 없으므로, 부분안정화 지르코니아의 첨가량은 25-44%로 한정하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 소결조제인 알루미나를 0.7-1.1wt% 첨가 하는데, 이것은 알루미나의 첨가량이 0.7wt% 미만일 때는 치밀한 소결체를 얻을 수가 없고 1.2wt% 이상일 때에는 더 이상의 소결효과를 기대할 수 없기 때문이다. 한편 소결온도는 1700-2000℃가 바람직하며, 이는 실리콘 카바이드가 공유결합물질이므로 1700℃이하에서는 확산이 용이치 않아 소결이 불가능하며, 2000℃이상에서는 소결은 가능하나 경제적인 측면에서 부담이 따르게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

탄화규소 분발에 하기 표1에 성분 및 조성비를 사용하여 볼 밀링법으로 24시간 동안 혼합하였다.

[표 1a]

[표 1b]

그런다음, 혼합된 분말들을 공기중에서 24시간 건조시킨 후, 80mesh체를 통과하여 조립화된 분체를 만들고, 상기 분체를 BN이 코팅(Coating)된 혹연 슬리버(Sleeve)에 충진시킨 후 1,750℃에서 300kg/cm²의 압력으로 열간가압소결하였으며, 소결중에는 Ar 가스를 흘려주며 불활성 분위기를 유지하였다.

상기와같이 제조된 막 소결체들의 밀도 및 파괴인성 값을 측정하고, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다. 하기 표2에 표시된 밀도는 증류수를 사용하여 아르키메데스법으로 구한값이며, 파괴인성값은 비커스(Vickers)경도 측정기를 이용하여 구한 값이다.

본 실시예에서 사용한 부분안정화 지르코니아는 이트리아가 12wt% 고용된 것이며, 또한, 본 실시예에 사용한 분말은 모두 1μm 이하의 평균입경을 갖는 것이다.

[표 2]

상기 표2에서, 상대밀도가 90% 이상되어야 산업적으로 이용가치가 있으므로, 90% 이하인 시료에 대해서는 파괴인성 값을 표시하지 않았다. 상기 표2에서 나타난 바와같이, 탄화규소 분말에 소결조제인 알루미나만 첨가한 소결체(종래예 1) 및 알루미나와 이트리아만 첨가한 소결체(종래예 2)는 상대밀도(이론밀도의 82%) 및 피괴인성값(3.3

)이 아주 낮음을 알 수 있다.

또한, 알루미나와 순수한 지르코니아만을 첨가한 소결체(종래예 3) 역시 상대밀도 값(이론밀도의 75%)이 아주 낮았고 본발명과 동일한 성분으로 조성비를 달리한 소결체(비교예 a, b) 역시 상대밀도가 각 85%와 75%로 치밀한 소결체를 얻기가 곤란함을 알 수 있다.

한편, 본 발명과 부합되는 25-44wt%의 부분안정화 지르코니아 및 1.1, 1.0 및 0.7wt%의 알루미나를 첨가한 소결체(발명에 c, d, e)는 상대밀도 93-99%의 치밀한 소결체일 뿐만 아니라 알루미나와 이트리아를 함께 첨가한 소결체(종래예 2)보다도 파괴인성 값이 약 2배 가까이 증가됨을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명을 종래의 소결온도(2150℃)보다 훨씬 낮은 온도에서 소결하고서도 높은 파괴인성을 갖는 탄화규소 소결체를 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 본 발명은, 탄화규소 분말에 알루미나(Al₂O₃)와 부분안정화 지르코니아(Partially Stabilized ZrO₂)를 첨가하여 고인성 탄화규소 소결체를 제조함에 있어서, 탄화규소 분말에 평균입도가 1μm 이하이며 이트리아(Y₂O₃)가 10-14wt% 고용된 부분안정화 지르코니아 5-44wt% 및 평균입도 1μm 이하의 알루미나를 0.7-1.1wt% 첨가하여 혼합한후, 불활성기체 분위기하 1700-2000℃에서 200-300kg/cm²의 압력을 가하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고인성 탄화규소 소결체의 제조방법.