KR920009971B1 - 내마모성이 우수한 뮬라이트-알루미나 복합체 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

내마모성이 우수한 뮬라이트-알루미나 복합체 제조방법

제1도는 pH 변화에 따른 아루미나 뮬라이트이장의 점도변화를 나타내는 그래프.

제2a,b 및 c도는 본 발명에 따라 알루미나와 뮬라이트를 혼합하여 제조된 이장(泥漿)의 pH에 따른 미세구조변화를 나타내는 사진.

본 발명은 뮬라이트(mullite)-알루미나의 복합체를 제조하는 방법에 관한 것이며, 보다 상세히는 주입성형법(drain casting)에 의해 뮬라이트와 알루미나의 복합체를 제조함으로써 상호취약점을 보완할 수 있는 방법에 관한 것이다. 뮬라이트(3Al₂O₃ㆍ2SiO₂)는 종래에 식기, 위생도기, 전기절연재료 및 내화재료등으로 널리 사용되어 온 것으로써 알루미나 규산염광물중 유일하게 안정되어 내열팽창성, 열충격 저항성 및 고온 곡강도가 우수한 반면, 알루미나(Al₂O₃)에 비하여 내마모성이 뒤떨어져 산업용으로는 강도 및 내마모성을 별로 요구하지 않는 재료로 그 사용이 국한되었다. 그러나 뮬라이트는 그 원료가 풍부하고 가격이 저렴하여 공급이 용이하므로 그 기계적, 열적성질을 향상시키고자하는 연구가 진행되는, 주목되는 원료중 하나이다. 반면, 알루미나는 상온 및 약 1000℃ 이하의 강도가 우수하고 경도가 높으며 내마모성이 좋아 연마재료, 연삭재료, 구조재료 및 이화학용기 등에 널리 이용되고 있으나 열팽창이 심해 박리(剝離, spalling)가 쉽게 되는 단점이 있는 것이다.

상기와 같이 각각 다른 물성을 갖는 뮬라이트와 알루미나를 서로 결합시켜 서로의 특성을 보완함으로써 물성을 향상시키고자 하는 방법으로는 법랑, CVD, 코팅 및 복합체 제조기술등이 있으나, 이들 방법은 설비 및 공정이 복잡할 뿐만 아니라 이에 수반하여 생산단가가 높고 양재질의 열팽창계수 차이로 인하여 균열이 발생하거나 접합이 불량하게 되는 등의 문제점이 있는 것이다.

또한, 일본 Toshio Kawanami의 신소재시리이즈 ＂뮬라이트, 시판되는 뮬라이트 세라믹스의 특성＂에 의하면, 뮬라이트내에 알루미나의 조성비를 조절함으로써 알루미나의 열충격저항성을 보완하고 있으나 이에 의하면 뮬라이트의 경우 내마모성은 향성된 반면 본래의 장점인 열충격저항성이 저하되며, 알루미나의 경우 열충격저항성은 향상되었으나 내마모성은 오히려 저하되는 문제점이 있는 것이다, 이에 본 발명의 목적은 뮬라이트의 장점인 열충격저항성을 유지하면서도 단점인 내마모성이 개선되고, 알루미나의 장점인 내마모성을 유지하면서도 단점인 열충격저항성이 개선된, 뮬라이트-알루미나 복합체 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같이 본 발명의 목적은 원료의 입도, 이장의 점성도, 해교정도 및 온도 등을 고려하여 주입성형법에 의해 뮬라이트-알루미나 복합체를 제조함으로써 성취된다.

본 발명에 사용되는 주입성형법은 성형체 내부를 통하여 조성의 구배가 급격히 변하지 않고 점진적으로 변화시켜 최종적으로는 양쪽의 조성을 변화시키는 방법이므로 다른 제조기술에서의 단점을 보완할 수 있을 뿐만 아니라, 주입성형법은 석고형틀에 이장(slip)을 부어서 석고의 모세관흡입력에 의해 이장내의 고체분말을 흡인하여 살붙임층을 형성하여 석고형틀과 동일한 형상을 제조하기 때문에 공정이 간단하고 대량생산이 가능할 뿐만 아니라 제조원가 및 설비비가 저렴하고 복잡한 형상의 제품도 정교하게 얻을 수 있는 것이다. 다만 본 발명에서는 성형체의 물성에 크게 영향을 미치는 요인은 이장의 성질에 달려있음을 고려하여 원료의 입도, 이장의 점성도, 해교정도 및 온도 등을 고려하여 이장을 제조한다.

또한, 본 발명에서는 일반적인 이장제조에 있어서 원료의 균일한 혼합에 의해 균일한 조성의 성형체를 제조하는 것과는 달리 입도 및 비중차이가 있는 두원료를 혼합하여 인위적으로 살붙임속도의 차이를 부여함으로써 성형체의 조성을 제어한다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 5-40중량%의 알루미나 및 나머지 퍼어센트의 뮬라이트를 물을 매질로하여 각각 볼밀등으로 습식분쇄한 후 혼합하고, pH를 6이하로 유지하면서 산화뮬계 원료의 이장제조를 위한 통상의 결합제, 해교제 및 탈형제를 소량첨가하여 원료의 최대입자크기가 10㎛ 이하이고, 점성도 1000cp 이하인 이장을 제조한후, 제조된 이장을 주입성형법에 의해 복합체를 제조함을 특징으로 한다. 여기서 Al₂O₃의 함량을 5-40중량%로 제한한 것은, Al₂O₃함량이 5중량% 이하인 경우 뮬라이트와 알루미나의 이중층형성효과가 나타나지 않으며 40% 이상인 경우 알루미나입자의 응집이 일어나 이장의 성질이 불량하게 되기 때문이다. pH는 6이하가 바람직하며, 보다 바람직한 pH범위는 4-6이다. pH를 6이하로 한 것은 뮬라이트와 알루미나의 등전점이 pH 7-9사이에 있으므로 이 범위내에서는 응집이 일어나 점도가 급상승하여 이장의 유동성이 불량하게 되며, pH 9이상에서는 뮬라이트중 SiO₂가 용출되어 뮬라이트 재흡착됨과 동시에 규소수산화물을 형성하고 입자 사이의 가교현상이 야기되며 이장의 점도를 높여 유동성이 나빠지게 되기 때문이다.

또한 pH 4이하에서는 이장 및 성형공정에 미치는 영향은 별로 없으나 성형공정에서 석고벽이 산침식되어 석고형틀의 내구성에 문제가 생기게 된다.

상기 해교제, 탈형제, 및 결합제는 산화물계 원료의 이장 제조시 작업성을 향상시키기 위하여 통상 첨가되는 성분으로서, 해교제로서는 카본산 메칠셀루로즈(CMC), 폴리아크릴레이트(Polyacrylate), 알킬산 나트륨, 물유리 등을 들 수 있고, 결합제로서는 폴리비닐 알콜(PVA), 아라빅 검(Arabic gum), 메칠 셀루로즈(MC) 및 전분등을 들 수 있고, 탈형제로서는 폴리에틸렌글리콜(PEC), PVA, 왁스에멀젼 등을 들 수 있다.

상기 해교제, 탈형제, 및 결합제는 이장의 유동성 및 분산성을 저해하지 않도록 소량 첨가되는데, 일반적으로 산화물계 원료에 대하여 총합으로 5.0% 이하로 첨가된다.

본 발명에 있어서 각각의 첨가제는 0.5중량% 미만에서는 첨가효과가 적으며, 해교제의 경우 1.0중량%를 초과하면 해교효과의 형상은 없고 성형체의 강도를 저하시키는 단점을 나타내며, 결합제는 1.0중량%를 초과하면 이장의 점성증가와 아울러 기포발생등으로 성형성이 오히려 저하된다. 한편 탈형제는 2.0중량%을 초과하면 이장의 점성을 높여서 작업성이 좋지 못하다. 따라서 원료분말의 중량합에 대하여 이들 부원료의 첨가량의 합은 2.0-4.0중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

한편, 이장의 입도는 중력에 의한 침강속도보다 브라운운동에 의한 이동속도가 같거나 커지는 영역, 즉 콜로이드 영역으로 조절하는 것이 안정된 이장을 제조할 수 있으므로 입도는 10㎛ 이하로 조절하는 것이 바람직하다.

또한 점도는 물첨가에 의해 조절되며 이장의 유동도를 지배하므로 성형성과 살붙임속도에 크게 영향을 미치는 바, 점도가 1000cp 이상으로 되면 살붙임속도가 늦어지고 흐름이 나쁘게 되어 균일한 성형체를 얻을 수 없게 되는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

원료 뮬라이트를 1주일간 습식분쇄한 알루미나를 중량비고 5,10,20,40%를 각각 첨가하고 pH를 5로 조절한 뒤 결합제로서 1.0%의 폴리비닐알콜, 해교제로서 0.7%의 카본산 메칠 셀루로즈, 탈형제로서, 1.5중량%의 폴리에틸렌글리콜을 첨가하여 교반기에서 24시간 숙성하였다. 하기 표1은 사용된 뮬라이트 및 알루미나의 조성 및 입도를 나타낸 것이다.

[표 1]

숙성된 이장을 석고형에 주입하여 수지의 두께가 10mm가 되도록 성형하였다. 성형된 소자를 2일간 건조후 1400℃에서 1시간 소성하여 제품을 얻었다. 원료를 분쇄하여 얻은 이장의 평균입도를 측정한 결과 1.7㎛이었으며, 이는 뮬라이트 원료가 볼밀로 미분쇄되었음을 알 수 있다. 제1도는 본 실시예에서 알루미나/뮬라이트 이장의 pH 변화에 따른 점도변화를 나타낸 그래프이다.

이에 따르면 pH 6이하에서 비교적 안정된 이장을 얻을 수 있으며 알루미나의 함량이 40중량% 이상일때에는 이장의 유동성이 불량한 것을 알수 있다. 제2도는 본 발명에 따라 알루미나와 뮬라이트를 혼합하여 제조된 이장의 pH에 따른 미세구조변화를 나타내는 사진으로써 (A)(B) 및 (C)는 각각 pH 5.5,8.5,10.5로 한 경우를 나타낸다. 이에 의하면 pH 5.5, pH 8.5, pH 10.5로 성형하여 1400℃로 소성한 복합체의 주사전자현미경(SEM) 관찰결과, pH 6이하(pH 5.5)에서는 치밀한 성형체가 형성되었으나, 그 이상에서는 알루미나 및 뮬라이트의 응집에 의한 미세구조의 불량을 나타냄을 알수 있으며 소결성도 좋지 못하였다.

이 결과는 pH와 이장점도의 관계와 관련됨을 나타낸다. 하기 표2에 성형된 복합체의 단면을 통한 알루미나의 조성분포를 EDAX 분석한 결과이다.

[표 2]

상기 표2에 의하면 pH 6이하로 성형한 복합체는 이장의 유동성이 좋으며 알루미나와 뮬라이트의 입도 및 비중차이에 의한 복합체의 양쪽면에 알루미나의 분포 구배가 점진적으로 생김을 알 수 있으나 pH 8.5 및 pH 10.5에서는 이장의 유동성불량에 의해 큰 변화가 없거나 불규칙함을 알 수 있다. 이장의 조성별로 제조하여 1400℃로 소성시킨 복합체의 소정체에 대한 내마모성, 열충격저항성 및 성형성을 측정하였으며 그 결과를 하기 표3에 나타내었다.

[표 3]

시료 M40은 주입성형시 이장에 존재하는 알루미나입자들의 응집에 의해 결합강도가 나쁘므로 내마모성이 불량하게 나타났다. 따라서, 5-40% Al₂O₃중량비로 이장을 제조하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

Claims (2)

1. 5-40중량%의 알루미나 및 나머지 퍼어센트의 뮬라이트(mullite)를 물을 매질로 하여 각각 볼밀등으로 습식분쇄한 후 혼합하고, pH를 6이하로 유지하면서 산화물계 원료의 이장제조를 위한 통상의 결합제, 해교제 및 탈형제를 소량 첨가하여 원료의 최대 입자크기가 10㎛ 이하이고, 점성도 1000cp 이하인 이장을 제조한후, 제조된 이장을 주입성형법에 의해 복합체를 제조함을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 뮬라이트-알루미나 복합체 제조방법.
2. 1항에 있어서, 상기 pH가 4-6임을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 뮬라이트-알루미나 복합체 제조방법.

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