KR940011080B1

KR940011080B1 - Al₂O₃-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체의 제조방법

Info

Publication number: KR940011080B1
Application number: KR1019920008277A
Authority: KR
Inventors: 오태희; 송병무; 송한식
Original assignee: 쌍용양회공업 주식회사; 우덕창
Priority date: 1992-05-16
Filing date: 1992-05-16
Publication date: 1994-11-23
Also published as: KR930023916A

Abstract

내용 없음.

Description

Al2O3-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체의 제조방법.

제 1 도는 실시예의 샘플번호 1의 X선 회절도.

제 2 도는 실시예의 샘플번호 3의 X선 회절도.

본 발명은 Al₂O₃-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소결체를 그 주원료로 사용되는 TiC 분말의 입자 표면에 TiO₂피복층을 형성시켜 제조함으로써, 소결온도를 저하시킬 수 있고, 소결체의 강인성, 기계적 강도, 내마모성이 우수하게 되어 박막자기헤드용 기판의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 Al₂O₃-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체의 제조방법에 관한 것이다. 일반적으로는 자기헤드용 기판을 Ni-Zn ferrite, Mn-Zn ferrite와 같은 연자성 재료와 Al₂O₃-TiC, SiC, ZrO₂와 같은 비자성 재료를 사용하고 있으나 연자성 재료는 고주파 영역에서 높은 자기투자율을 갖고 좁은 트랙을 갖게 하기 어려워 박막자기헤드용 기판으로는 적합하지 않다. 또 박막자기헤드용 기판은 경면연마가 가능해야 하며 연삭성이 좋아 슬라이더 가공이 용이해야 하므로, 비자성 재료로서 기판위에 코팅되는 Al₂O₃와 열팽창 계수가 유사하고 내마모성이 우수한 Al₂O₃-TiC계가 현재 널리 사용되고 있는 중이다. 예를들면, 자성재료의 경도는 일반적으로 650kg/m㎡인데 비하여 Al₂O₃-TiC계는 2,000kg/m㎡이나 되고 있다.

Al₂O₃-TiC계는 기판재료로서 성능면에서는 우수하나, 고온소결등을 필요로 하는 난(難) 소결성 원료를 근간으로 하고 있기 때문에 제조공정상의 높은 단가와 공정의 복잡성등의 문제가 있었다. 이와 같은 Al₂O₃-TiC계 소결체에 대해서 현재 많은 연구가 활발히 진행되고는 있으나, 소결과정에서 소결체의 주성분인 Al₂O₃와 TiC간의 계면반응에 의해 발생되는 Al₂O₃와 CO등의 기체로 인해 소결체 내부에 기공이 형성되어 소결체의 기계적 특성을 저하시키게 되고, 또한 Al₂O₃에 비해 TiC가 난 소결성을 나타내므로 소결체의 완전한 치밀화가 어려웠다. 이와같은 난소결성의 성질 때문에 일본특허공개 소60-66405에서는 열압축(Hot-pressing)방법을 이용하였고 1800℃이상의 고온으로 급승온하는 방법, 또는 일본특허공개 소61-50906에서는 Y₂O₃등의 소결보조제를 첨가시키는 방법으로 제품을 생산하곤 하였다.

그러나, 열압축법은 일축가압에 의해 소결체를 제조하기 때문에 소결체의 형상 단순화로 가공비가 많이 들어 대량 생산에 적합치 못하였다. 또, 열압축법은 소결체내의 이방성이 생겨 슬라이더 가공시 크기의 차이가 발생하는 문제점이 있었다.

고온으로 급승온하는 방법에 의한 소결체의 제조는 온도의 급상승으로 소결체가 열충격을 받아서 변형이 일어나게 되거나 깨어지는 경우도 발생하게 되며, 더욱이 시편내의 온도 구배로 인하여 휨현상이 발생하거나 소결체 표면에서의 휘발등으로 치밀한 소결체를 제조하는 것은 상당히 어려웠다.

또, 소결 조제를 첨가하는 방법은 Y₂O₃가 Al₂O₃와 반응하여 쉽게 취약특성을 나타내거나 열팽창 계수가 다른 3Y₂O₃ㆍ5Al₂O₃고용체인 YAG(yttrium aluminum garnet)등 제 2 상이 결정 입자 사이에 생성되어 열충격에 의해 쉽게 깨어지는 취약특성을 갖고 있었다. 한편, Al₂O₃-TiC계의 소결온도의 저하와 연삭성의 증가를 위해 일본특허공개 소61-50906, 미국특허 제 4,598,052 및 미국특허 제 4,582,812등에서는 소결 보조제로 TiO₂분말을 첨가 혼합하여 주원료간의 Wettability와 결합강도를 향상시키긴 하였으나, TiO₂,TiC 및 TiCO가 소결체 내부에서 불균질하게 혼재되어 있어 소결체물성의 이방성 및 열충격에 약한 문제점이 있었다.

이에 종래의 이러한 문제점들은 Al₂O₃와 TiC의 입계면에서 발생하는 계면반응에 있다는 사실로부터 본 발명을 완성하게 되었다.

즉, 본 발명은 Al₂O₃-TiC계 박막헤드용 기판에 사용되는 소결체를 그 주원료로 사용되는 TiC 분말을 적정 온도에서 열처리하여 입자표면에 TiO₂피복층을 형성시켜 제조함으로써 소결온도를 저하시킬 수 있고, 소결체 평균 입도도 보다 작아져서 소결체의 인성, 강도, 내마모성, 내충격성등 기계적 특성을 우수하게 하는 Al₂O₃-TiC계 박막헤드용 기판 소결체를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

Al₂O₃,TiC 및 Y₂O₃의 혼합원료를 분쇄한 후, 소결처리하여 Al₂O₃-TiC계 절삭공구 소결체를 제조하는데 있어서, 미쇄분된 Al₂O₃,TiC 및 Y₂O₃의 혼합분말을 N₂+O₂의 혼합기체의 산소분압을 0.01 내지 20%로 하고 이 혼합기체의 유량을 0.2 내지 0.4ℓ/min로 조정한 산화분위기 속에서 TiC 분말을 200 내지 500℃의 온도 범위로 5 내지 60분동안 처리하여 TiO₂피복층이 형성된 TiC 분말로 Al₂O₃-TiC 박막자기헤드용 기판 소결체를 제조하는 방법인 것이다.

본 발명에 따라 TiC 분말 표면에 균일하게 피복생성된 TiO₂는 Al₂O₃와 TiC와의 균일한 소결반응 효과를 나타내며, 이들의 계면반응을 억제하게 되고, TiC보다 소결온도가 낮은 TiO₂를 첨가시킨 효과도 나타내게 되므로, 소결온도를 저하시키는 효과는 물론 Al₂O₃의 결정입자 성장도 억제시킬 뿐 아니라, 소결체의 강도와 내마모, 내열충격성을 증가시키게 되어 박막자기헤드용 기판의 절삭가공시 칩핑(chipping) 현상을 방지하는 등 유용한 효과가 있다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Al₂O₃(S)+2C(S)=Al₂O(g)+2CO(g)

Al₂O₃(S)+TiC(S)=Al₂O(g)+TiO(S)+CO(g)

Al₂O₃(S)+2/3TiC(S)=Al₂O(g)+2/3TiO₂(S)+2/3CO(g)

Al₂O₃(S)+C(S)=Al₂O₂(g)+CO(g)

Al₂O₃(S)+C(S)=2AlO(g)+CO(g)

여기서 (S)는 고체상, (g)는 기상(gas phase)을 의미한다.

상기 반응식에서 기체를 발생시키는 주요 물질은 Al₂O₃와 TiC 또는 C인데, 이때 발생되는 기체로 인해 소결체 내부에 기공이 생겨 소결체의 기계적 특성 즉, 강도, 인성, 내마모성이 저하되어 고속으로 운행되는 박막자기헤드의 기판재료로서 부적합한 단점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 위와 같이 기체 발생에 의한 기공 생성을 방지하기 위해서 TiC분말을 200 내지 500℃의 산화분위기에서 산화처리하여 TiO₂피복층을 형성시킴으로써, Al₂O₃-TiC 성형체 소결시 두 물질간의 반응에 의해 생성되는 기체발생을 방지하게 되었다.

즉, 본 발명에 따라 제조되는 TiC 표면에 피복된 TiO₂는 Al₂O₃와 TiC의 입계면에서 작용하여 소결온도를 낮추는 소결보조제로 작용하여 Al₂O₃-TiC 소결체의 내마모성, 내열충격성 등의 기계적 강도를 크게 증가시키게 된다.

그리고, 일본특허공개 소61-50906, 미국특허 제 4,598,052호 등과 같이 TiO₂분말을 단독 첨가하는 것보다 균일한 혼합 효과가 더욱 커서 Al₂O₃와 TiC간의 결합강도를 향상시켜 내마모성과 인성의 증가로 박막자기헤드의 칩핑 방지와 수명을 길게 유지시켜 주게 된다.

상기와 같은 효과가 발생하는 이유를 설명하면 다음과 같다. 즉, TiC 분말 표면에 피복된 TiO₂는 고경도재인 TiC의 특성을 이용하고, 표면층만 TiO₂로 되어 있어 Al₂O₃와 TiC의 결합을 촉진하여 기공 생성을 억제시켜 기계적 강도, 내마모성 등을 향상시키게 된다. 그리고, 기판의 경면 연마가공과 슬라이더 기공 생성을 억제시켜 기계적 강도, 내마모성 등을 향상시키게 된다. 그리고, 기판의 경면 연마가공과 슬라이더 가공시 발생하는 칩핑 현상 및 자기헤드의 고속 운행으로 인한 마모등을 본 발명의 TiO₂피복층이 TiC와 고용체를 형성하여 Al₂O₃와 TiC 결정입자들을 이어주는 강고한 가교역할을 하게 되어 강도 및 인성을 증가시키게 되어 칩핑을 방지할 수 있었다.

한편, 본 발명에 사용된 Al₂O₃,TiC,Y₂O₃분말은 0.1 내지 2㎛의 미세분말이며, 혼합비를 Al₂O₃: TiC : Y₂O₃= 80 내지 20 : 20 내지 80 : 0.1 내지 2중량%로 하며, 혼합시 알코올을 혼합용매로 하여 24 내지 48시간 동안 WC단지(jar)에서 혼합 및 분쇄를 실시한다.

이렇게 혼합된 슬러리를 케이크(cake) 상으로 건조시킨후, TiC 입자 표면을 균질하게 TiO₂로 피복시키기 위해 0.1 내지 100㎛으로 미분쇄시킨다. 이 분말을 TiO₂피복처리하기 위하여 N₂+O₂의 혼합기체(산소분압 : 0.1 내지 20%)를 흘려주면서 200 내지 500℃에서 5 내지 60분동안 산화처리하여 TiC 표면을 얇게 산화시켜 TiO₂피복층을 형성시킨다.

이때 또한 상기와 같은 조건인 N₂+O₂산소분압을 0.1 내지 20%로 한 산화분위기의 200 내지 500℃ 온도에서 5 내지 60분동안 TiC이 분말만을 산화처리하여 TiO₂피복층이 형성된 TiC 분말을 Al₂O₃: TiC : Y₂O₃₌80 내지 20 : 20 내지 80 : 0.1 내지 2중량%로 함유되도록 첨가시켜도 같은 효과를 나타내게 된다.

이때, TiO₂피복층을 형성시키는 최적조건은 TiC 분말 입자크기에 따라 다르지만 평균 입경이 1 내지 5㎛에서의 최적조건을 350℃에서 20분 처리하였을 때 가장 안정하고 균질한 TiO₂피복층을 얻을 수 있다.

이때 혼합기체의 유량은 0.2 내지 0.4ℓ/min로 한다. 그리고, 상기와 같이 열처리된 분말은 성형공정을 거쳐 아르곤 분위기속에서 소결을 실시하게 되는데, 이때 소결온도는 1600 내지 1850℃이며, 소결시간은 0.5 내지 1시간으로 하는 것이 바람직하다.

한편, Al₂O₃-TiC계 박막헤드용 기판에서는 소결체의 입자크기에 따라 경도가 달라지므로 기판의 연마가공 및 내마모성에 영향을 주게 된다. 즉, 소결 온도가 높아질수록 소결체의 입자크기 커짐으로, 본 발명에서는 크기를 미립화시키는 동시에 충분히 이론 밀도에 도달하는 치밀한 소결체를 얻기 위해 소결후 HIP을 실시한다.

이 HIP은 아르곤 분위기에서 1400 내지 2000MPa, 1450 내지 1650℃, 0.5 내지 1시간 정도 실시하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명에서, TiC 분말 표면에서 균일하게 피복 생성된 TiO₂는 Al₂O₃와 TiC와의 결합 강도를 높여주는 동시에 Al₂O₃와 TiC간의 계면반응의 억제 및 TiO₂첨가효과도 나타내어 소결온도 저하효과는 물론 Al₂O₃의 결정입자에 의한 소결체는 고밀도 기록에 대응하는 박막자기헤드용 기판으로 유용하게 쓰일 수 있는 특징이 있다. 이때, 소결체의 밀도는 95% 이론밀도(TD : Theoretical dendity)이상이 되도록 하며, 그후 HIP 처리를 통하여 100% TD를 얻는다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

평균입경이 1.5㎛인 TiC 분말과 평균입경이 0.5㎛인 Al₂O₃분말, 평균입경이 0.9㎛인 Al₂O₃분말을 다음표 1과 같은 조성비로 하여 WC ball과 WC단지를 사용하여 24시간 동안 균일하게 혼합한 후 건조시킨다.

[표 1] 실시예의 실험 결과

건조된 케이크는 다시 분쇄기를 통하여 분말의 표면적을 넓히기 위해 미분말이 되도록 분쇄한다. 분쇄된 분말은 TiO₂피복처리로를 통하여 다음 표 1과 같은 조건하에서 TiC 표면층을 TiO₂로 산화시킨다. 이때 사용기체는 N₂: O₂= 5 : 1(부피비)인 혼합기체이며, 피복처리로를 흐르는 유량은 0.3ℓ/min로 하였다. 하소된 분말은 다시 유발 분쇄기에서 성형조제를 첨가하여 가볍게 분쇄한 후, 1톤/㎠의 압력으로 성형하여 성형체를 제조한 다음, 성형체와 동일 조성의 분말속에 매몰하여 아르곤 분위기에서 다음표 1과 같은 조건하에서 소결하였다.

이때 승온속도는 소결이 시작되기 전인 1100℃까지는 10℃/min 정도로 승온했으나 1600 내지 1850℃까지는 다음표 1에서 나타낸 바와 같이 20 내지 100℃/min 정도로 급격한 승온을 실시하였다. 상기 소결체는 아르곤 분위기에서 HIP처리를 하여 충분한 밀도를 얻음과 동시에 잔존기공을 제거하였다. 이때 HIP처리조건은 아르곤 분위기에서 1500MPa, 1600℃, 1시간동안 실시하였다. 또한 소결체의 상분석은 X-선 회절(XRD)를 통하여 분석하였으며 소결체의 기계적 특성은 빅커스 인덴터(Vicker's Indentor)를 통하여 Hv와 K_IC를 측정하였다. (X-선 회절은 제 1 도 및 제 2 도 참조)

이와 같은 데이터는 실시예를 기준으로 하여 표 1에 나타내었고 본 발명의 내용과 비교하기 위해 TiC 분말을 열처리를 하지 않은 소결체의 공정특성 및 물성특성을 비교예로 나타내었다. 실시예중 X-선 회절 상 분석에서 TiO₂가 검출되지 않은 본 발명의 소결체는 그라파이트로(graphite furnace)의 사용에 따른 소결 분위기중의 탄소와 반응하여 TiO₂가 점진적으로 저산화물(lower oxides)형태로 환원되다가 결국은 TiC로 재전이 된 것으로 추정된다.

여기에서 제 1 도는 실시예의 샘플번호 1의, 제 2 도는 실시예의 샘플번호 3의 X-선 회절을 도시한 것이다.

Claims

Al₂O₃, TiC 및 Y₂O₃의 혼합원료를 분쇄한 후 소결처리하여 Al₂O₃-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체를 제조하는데 있어서, 미분쇄된 Al₂O₃,TiC 및 Y₂O₃의 혼합분말을 N₂+O₂의 혼합기체의 산소분압을 0.1 내지 20%로 하고 이 혼합기체의 유량을 0.2 내지 0.4ℓ/min로 조정한 산화분위기 속에서 200 내지 500℃의 온도범위에서 5 내지 60분동안 처리하여 TiC 분말 표면에 TiO₂피복층을 형성시킨 다음, 이들을 아르곤 분위기 속에서 1650℃ 내지 1850℃의 온도로 소결처리하여서 되는 것임을 특징으로 하는 Al₂O₃-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체의 제조방법.
Al₂O₃,TiC 및 Y₂O₃의 혼합원료를 분쇄 및 소결처리하여 Al₂O₃-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체를 제조하는데 있어서, N₂+O₂의 혼합기체의 산소분압을 0.1 내지 20%로 하고 이 혼합기체의 유량을 0.2내지 0.4ℓ/min로 조정한 산화분위기 속에서 TiC 분말을 200 내지 500℃의 온도범위에서 5 내지 60분동안 처리하여 TiO₂피복층이 형성된 TiC 분말을 Al₂O₃및 Y₂O₃와 혼합시킨 다음, 이들을 아르곤 분위기속에 1650℃ 내지 1850℃의 온도로 소결처리하여서 되는 것임을 특징으로 하는 Al₂O₃-TiC계 박막자기헤드용 기판 소결체의 제조방법.