KR960001431B1 - 알파-시아론(α-Sialon)함유 질화규소 소결체의 제조방법 및 이로부터 제조한 소결체 - Google Patents

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Description

알파-시아론(α-Sialon)함유 질화규소 소결체의 제조방법 및 이로부터 제조한 소결체

본 발명은 질화규소 소결체의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세히는 기공을 갖지않는 치밀한 조직의 알파-시아론 함유 질화규소 소결체의 제조방법 및 이로부터 제조한 소결체에 관한 것이다.

시아론(Sialon)은 질화규소(Si₃N₄) 결정구조에서 Si 위치에 Al이, N의 위치에 0가 고용되어 있는 구조를 갖는 물질로써 α-시아론과 β-시아론 2가지 형태가 있다.

α-시아론은 질화규소의 결정구조에서 Si 위치에 Al이, N의 위치에 0가 고용됨과 동시에 Li, Mg, Ca, Y 등의 금속원소가 격자사이에 침입하여 존재하고 있는 구조의 물질로서 조성식 Mx(Si, Al)₁₂(단, 여기서 0＜X2)로 표현된다.

한편, β-시아론은 질화규소(Si₃N₄) 결정구조에서 Si위치에 Al이, N의 위치에 O가 치환된 치환형 고용체이며 조성식 Si_6-ZAl_ZO_ZN_8-Z(단, 여기서 0＜z4.2)로 나타낸다.

종래의, β-Si₃N₄및_b-시아론계 세라믹스는 α-시아론에 비하여 파괴인성은 높으나 경도가 낮기 때문에 내마모성이 떨어지고, 소결시 첨가도니 소결조제가 입계에 유리상으로 잔존하여 고온강도가 낮은 단점이 있는 반면, α-시아론계 세라믹스는 β-Si₃N₄및 β-시아론보다 내마모성 및 고온강도는 우수하나 파괴인성이 낮은 단점이 있는 것이다.

이같은 단점을 해결하기 위하여 최근에는 이들 양자의 장점을 동시에 갖는 α+β시아론 또는 α-시아론 함유 질화규소 세라믹스가 개발되고 있다.

이같은 복합세라믹스는 파괴인성이 높을 뿐만 아니라 내마모성 및 고온강도가 뛰어나 절삭공구나 엔진부품등 고온기계 구조재로 이용가능한 것이다.

이들 복합세라믹스는 통상 질화규소(Si₃N₄), 질화알루미늄(AIN), 이트리아(Y₂O₃)로 구성되는 혼합물을 상압소결 혹은 가압소결하여 제조한다.

이중 상압소결법은 그 제조공정이 비교적 간단할 뿐만 아니라, 복잡한 형상의 세라믹스 제조가 용이한 장점이 있는 반면, 이로부터 제조된 소결체에는 3∼5％의 기공이 잔존함으로써 소결밀도 99％ 이상의 소결체를 제조할 수 없을 뿐만 아니라 이로인해 그 기계적 특성이 저하하는 단점이 있는 것이다.

이에 본 발명의 목적은 상압소결에 의해소도 소결체에 통상 남게되는 3∼5％의 기공을 제거할 수 있어 소결밀도 99％ 이상의 소결체 제조가 가능할 뿐만아니라, 통상 약 1900℃의 높은 소결온도가 요구되는 가스압 소결법으로 제조하더라도 가스압 소결법에서의 소결온도 1900℃보다 200℃만큼 낮은 1700℃에서 기공이 거의 없는 치밀한 소결체를 얻을 수 있는 α-시아론 함유 질화규소 소결체 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 소결체 제조방법에 의해 제조한 99％ 이상의 소결밀도를 갖는 소결체를 제공하는데 있다.

본 발명의 일견지에 의하면, 질화규소(Si₃N₄)에 소결조제인 질화알루미늄(AIN), 이트리아(Y₂O₃) 등을 첨가 혼합하고, 이들 혼합물을 소결하여 α-시아론 함유 질화규소소결체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 소결원료 혼합시 용매로써 알콜과 증류수로 이루어진 혼합용매를 사용하여 상기 질화알루미늄(AIN)의 최소일부를 혼합단계에서 수화시킴을 특징으로 하는 α-시아론 함유 질화규소 소결체 제조방법에 제공된다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명에 따라 상기 알콜과 증류수로 이루어진 혼합용매를 사용하여 제조한 질화규소, 질화알루미늄 및 이트리아의 혼합분말을 통상의 성형방법으로 성형후 소결시켜 제조한 상대밀도 99％ 이상이며, α-시아론 5∼75％ 및 β-Si₃N₄25∼95％로 구성된 α-시아론 함유 질화규소 소결체가 제공된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 기술한다.

본 발명자는 통상 원료혼합시 사용되는 순수한 알콜 대신에 알콜에 증류수를 일정량 첨가한 용매를 사용하여 소결조제로 첨가되는 질화알루미늄(AIN)의 일부를 수화처리하면 원료혼합물의 열처리시 외부첨가에 의한 방법보다도 매우 미세하고 균일하게 분포된 알루미나(Al₂O₃)가 형성되어 α-시아론 함유 질화규소 소결성을 증진시킬 수 있게 되고, 이에따라 상압소결에 의해서도 상압소결시 통상 소결체에 남게되는 3∼5％의 기공을 제거할 수 있으며, 또한 가스압 소결법으로 제조하더라도 가스압 소결법의 통상소결온도인 1900℃보다 200℃만큼 낮은 온도(1700℃)에서도 기공이 거의 없는 치밀한 소결체를 얻을 수 있다는 것을 발견하고 이를 근거로 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 방법에서는, 질화규소(Si₃N₄)에 소결조제인 질화알루미늄(AIN), 이트리아(Y₂O₃)를 첨가하고, 용매로서 알콜과 증류수로 구성된 혼합용액을 사용하여 혼합한 후 통상의 방법에 따라 성형, 소결과정을 거쳐 소결체를 제조한다.

이같이 용매로써 알콜과 증류수로 구성된 혼합용액을 사용하면, α-시아론 함유 질화규소 소결체시 첨가되는 소결조제인 질화알루미늄(AIN)의 최소 일부가 혼합단계에서 수화됨으로써 소결시 아주 미세하고 균일하게 분포된 알루미나(Al₂O₃)를 형성하여 상대밀도 99％이상의 치밀한 소결체를 얻을 수가 있는 것이다.

본 발명에서 알콜+증류수로 이루어진 혼합용매 제조시 알콜에 첨가되는 증류수량은 질화알루미늄(AIN) 첨가량을 기준으로 1＜증류수/AIN0.5 범위이며, 바람직하게는 0.1＜증류수/AIN0.5 범위가 바람직하다.

증류수를 첨가하지 않았을 경우에는, 통상의 상압소결법으로 제조하였을 때 소결체내에 3∼5％의 기공을 남기게 되어 소결밀도 99％이상의 소결체 제조가 불가능하고, 가스압 소결로도 약 1900℃의 높은 소결온도가 요구되므로 좋지 않다. 또한, 증류수의 첨가량이 0.5를 초과하게 되면, 과량의 알루미나(Al₂O₃)가 형성되어 소결체의 입계에 5％이상의 유리상이 잔존하게 되므로 고온특성에 악영향을 미치게 되어 좋지 않다.

이같이 본 발명의 혼합용매를 사용하여 α-시아론 함유질화규소 소결체 제조시 소결방법으로는 통상의 가압소결법, 상압소결법 및 가스압 소결법을 이용할 수가 있는데 경제적이고 복잡형상의 소결체 제조가 가능한 상압소결법과 가스압 소결법을 이용하는 것이 유리하다. 상압소결의 경우에는 질화규소(Si₃N₄), 질화알루미늄(AIN), 이트리아(Y₂O₃)로 구성된 혼합물을 상압의 질소분위기 하 1650℃∼1800℃의 온도범위에서 20분∼2시간동안 소결한다. 소결온도가 1560℃이하이면 소결체의 밀도가 낮고 1800℃를 초과하면 소결체의 입자가 과대성장하게 되어 기계적 특성이 저하한다. 또한 가스압 소결법을 이용할 경우에는 1650℃∼1750℃의 온도에서 10∼20분동안 상압소결한 후 질소가스압을 10∼50기압으로 가압하여 다시 30분∼1시간동안 재소결하는데, 질소가스압을 증가시켜 재소결할때에는 소결온도를 50℃∼100℃ 낮추어 소결하는 것이 입성장을 억제할 수 있어 우수한 기계적 특성을 갖는 소결체를 제조하는데 보다 유리하다.

한편, 본 발명에서와 같이 질화규소(Si₃N₄), 질화알루미늄(AIN), 이트리아(Y₂O₃)분말을 알콜+증류수의 혼합용매에서 혼합하고 소결한 소결체는 이론밀도의 99％이상인 치밀한 조직을 가지며, 5∼75％의 α-시아론과 25∼95％의 β-Si₃N₄로 구성된 복합조직을 가지게 되므로 우수한 내마모성과 파괴인성을 동시에 발휘할 수 있는 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 따라 설명한다.

[실시예]

질화규소(Si₃N₄)에 질화알루미늄(AIN)을 2∼13wt％, 이트리아(Y₂O₃)를 1∼8wt％ 첨가하고 증류수/AIN의 중량비가 0.13∼0.5로 조절된 알콜+증류수의 혼합용매에서 혼합한 후 성형하였으며, 비교를 위하여 상기와 동일한 조성의 분말을 순수한 알콜(99.8％)을 용매로 하여 혼합한 혼합물의 성형체를 제조하였다.

상기와 같이 제조한 성형체들은 상압소결과 가스압소결 2가지 방법으로 각각 제조하였다. 상압소결의 경우는 질소분위기하 1750℃에서 2시간동안 소결하였으며, 가스압 소결의 경우는 상압의 질소분위기하 1750℃에서 20분동안 소결한 후 50기압의 질소분위기하 1650℃에서 1시간동안 재소결하였다. 상기와 같이 제조한 소결체들은 아르키메데스법을 이용하여 소결밀도를 측정하였고, X-선 회절법을 이용하여 α-시아론 및 β-Si₃N₄의 함유량을 조사하였다.

혼합분말 및 용매의 조성, 소결체의 밀도 및 구성상의 함유량을 하기 표1에 나타내었다.

[표 1]

표 1에 의하면 본 발명의 방법에 의해 제조된 소결체들은 비교예와 같은 통상의 방법에 의해 제조된 소결체보다 높은 소결밀도를 나타내며, 소결조제 및 증류수의 첨가량을 적절히 조절함으로써 이론밀도에 접근하는 소결밀도와 α-시아론 함유량을 조절할 수 있는 것을 알 수 있다.

전술한 바와같이, 본 발명의 방법에 의하면 통상의 소결법으로도 종래에 비하여 우수한 α-시아론함유 질화규소소결체를 제조할 수 있으며, 이로부터 제조된 소결체는 99％이상의 상대밀도를 갖는 치밀한 것으로써, 내마모성 및 고온강도가 우수할 뿐만 아니라 파괴인성 역시 우수한 것이다.

Claims (3)

1. 질화규소(Si₃, N₄)에 소결조제인 질화알루미늄(AIN), 이트리아(Y₂O₃) 등을 첨가 혼합하여 성형하고, 이들 혼합성명물을 소결하여 α-시아론 함유 질화규소소결체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 소결원료 혼합시 용매로써 알콜과 증류수로 이루어진 혼합용매를 사용하여 상기 질화알루미늄(AIN)의 일부를 혼합단계에서 수화시킴을 특징으로 하는 α-시아론 함유 질화규소 소결체 제조방법.
2. 1항에 있어서, 상기 혼합용매중 증류수량은 증류수/AIN의 비가 0.5이하가 되도록 하여 첨가함을 특징으로 하는 방법.
3. 알콜과 증류수로 이루어진 혼합용액을 사용하여 제조한 질화규소, 질화알루미늄 및 이트리아의 혼합분말을 통상의 성형방법으로 성형후 소결시켜 제조한 상대밀도 99％이상이며, α-시아론 5∼75％ 및 β-Si₃O₄, 25∼95％로 구성된 α-시아론 함유 질화규소 소결체.