KR970001051B1

KR970001051B1 - 고경도 및 고내열성을 갖는 알루미나(Al₂O₃) 및 탄화티타늄(TiC) 복합 소결체 제조를 위한 복합분말의 제조방법

Info

Publication number: KR970001051B1
Application number: KR1019940014611A
Authority: KR
Inventors: 정수종; 김홍원; 최덕순
Original assignee: 대한중석 주식회사; 양수제
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1994-06-24
Publication date: 1997-01-25
Also published as: KR960000370A

Abstract

내용없음.

Description

고경도 및 고내열성을 갖는 알루미나(Al2O2) 및 탄하티타늄(TiC) 복합 소결체 제조를 위한 복합분말의 제조방법

제1도는 본 발명에 사용된 반응설비의 개략도.

제2도는 Al 함량 변화에 따른 SHS 합성분말의 XRD패턴.

제3도는 카본블랙 함량 변화에 따른 SHS 합성분말의 XRD패턴.

제4도는 합성한 복합분말의 주사현미경 조직사진(3500배).

제5도는 밀링시간에 따른 합성분말의 중심입경을 나타낸 그래프.

본 발명은 알루미나(Al₂O₃) 및 탄화티타늄(TiC) 복합소결체 제조를 위한 복합분말의 합성방법에 관한 것으로, 특히 Al₂O₃와 TiC 분말을 연속적인 외부 열에너지 공급없이 간단한 공정으로 동시에 합성하여 저렴한 제조원가 및 고순도 합성분말을 얻는데 관한 것이다.

Al₂O₃, TiC 등의 세라믹 원료는 융점과 경도가 높고, 화학적 안정성이 뛰어나 각종 산업의 절삭공구, 내마모부품, 고온용 부품 등 많은 용도에 확대될 것으로 예상되고 있다.

지금까지 Al₂O₃및 TiC의 복합 합성분말을 이용한 소결체를 제조함에 있어서는 Al₂O₃와 TiC를 각각 별도의 공정을 거쳐 제조한후 이를 혼합한 조성분말을 사용하여 분말야금법에 의하여 필요로 하는 형태로 성형한 후 소결하여 각종 용도의 부품에 사용되고 있다.

상기한 소결체를 얻기 위한 성형의 전단계인 합성분말중 Al₂O₃의 제조방법으로는 보오크사이트(Bouxite)중의 Fe₂O₃, TiO₂, SiO₂등의 불순물을 알카리 처리하여 제거시킨뒤 석출되는 암모늄을 소성하여 Al₂O₃를 제조하는 베이어(Bayer)법이 주로 이용되고 있으며, 한편 TiC 분말의 제조는 TiCl₄-CH₄계 혹은 TiCl₂-CH₄계로부터 기상반응법으로 얻고 있다.

이렇게 하여 제조한 각각의 분말을 혼합 조성시켜 이용되고 있다.

이와 같이 기존의 합성방법은 Al₂O₃및 TiC 분말을 각각 얻기 위한 많은 설비 및 복잡한 공정에 따라 제조원가의 상승요인이 되고 있어 경제적으로 분리하다.

이에 본 발명은 기존의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, Al₂O₃및 TiC 분말을 얻기 위해 각각 별개의 복잡한 공정을 거치지 않고 간단한 공정으로 연속적인 외부 열에너지 공급없이 짧은 반응시간에 Al₂O₃와 TiC의 복합 합성분말을 얻는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 알루미늄(Al), 탄소원, 산화티타늄(TiO₂)으로 된 분말을 혼합하여 성형체를 만들어 이 성형체를 반응로에서 점화시켜 산화반응시 발생하는 자체의 발열을 에너지원으로 하는 공지의 자기연소 반응법(SHS : Self Propagating High Temperat ure Synthesis)에 의해 Al₂O₃및 TiC로 합성된 복합물이 얻어진다.

이와 같이 구성된 합성복합물을 이용하여 소결함으로서 필요로 하는 소결체를 얻게 된다.

상기한 구성에서의 분말원료의 조성비는 Al : 탄소원 : TiO₂=4.0-6.0 : 2.0-4.0 : 3.0-4.0의 몰(mole) 비율로 함이 바람직하며, 또한 탄소원은 카이본블랙, 코오크스(Cokes)등이 투입된다.

SHS법에 의해 상기 혼합분말 원료를 Al₂O3와 TiC로 합성함에 있어서는 제1도와 같이 고진공 또는 아르곤과 같은 불활성가스 취입구(1), 열전대(2), 텅스텐와이어(W-Wive) 또는 카아본리본과 같은 점화기구(3)로 구성된 SHS 반응장치에 상기한 성형체를 용기(4)에 담아넣고 상부에 위치한 텅스텐와이어의 저항열로 성형체를 점화시키면 자체의 화학반응열로 반응하여 Al₂O₃와 TiC의 복합 합성물이 얻어지게 된다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

제2도 및 제3도는 혼합분말 원료의 각 혼합비에 따른 Al₂O₃및 TiC의 합성상태를 나타낸 XRD(X-Ray Diffractometer) 분석결과로서, 출발원료로는 Al(순도 99.8 %)을 15㎛, 카본블랙(순도 99.8%)과 TiO₂(순도 98.5%)을 써브미크론(Submicron)으로 하였다.

제2도에서는 카본블랙과 TiO₂의 몰비를 3 : 3으로 고정시키고 Al 몰비를 변화시킨 것으로, 그래프상(A)로 나타난 4몰에서는Al₂O₃및 TiC 피크(Peak)외에 다른 피크없이 합성반응이 원만하게 이루어짐을 알 수 있고, 그래프상(B)로 나타난 5-6몰에서는 미반응 Al이 일부 관찰되었고, 그래프상(C)와 같이 6몰 이상의 Al에서는 Al₄O₄C의 미세한 피크가 나타나고 있다.

따라서 Al 투입량은 4-6몰 범위로 함이 바람직하며, 일부 미반응한 Al의 경우는 후 공정에서 염산용액으로 리칭(leaching)시켜 그 함량을 떨어 뜨릴 수 있다.

제3도에서는 Al과 TiO₂의 몰비를 4 : 3으로 고정시키고, 카본블랙의 몰비를 변화시킨 것으로, 그래프상(A)와 같이 카본블랙을 2몰로 한 경우는 일부 Al₂Ti4C₂피크가 관찰되었으나, 3-4몰 첨가한 경우는 Al₂O₃와 TiC 피크만으로 합성되었음을 알 수 있다.

따라서 카본블랙은 2-4몰 범위로 함이 바람직하다.

또한 TiO₂에 따른 XRD분석 그래프는 첨부하지 않았으나 Al과 카본블랙의 몰비를 4:3으로 고정시키고 TiO₂의 몰비를 2-4로 변화시켜 시험한 결과 2몰에서는 Al₄O₄C 성분이 많이 합성되어 Al₂O₃와 TiC의 완전한 합성이 되지 못했으며 3-4몰의 혼합비에서는 Al₂O₃와 TiC가 뚜렷하게 합성되었다.

이와 같이 Al의 몰비를 4-6 카본블랙의 몰비를 2-4 TiO₂몰비를 3-4로 하여 자기연소반응법으로 분말을 합성할 경우, 일부 미반응 Al이나 혹은 Al-Ti-C로 구성된 화합물이 생성되기도 하지만 대부분은 Al₂O₃및 TiC 피크로 이루어져 원만한 합성반응이 진행되었음을 알 수 있었다.

한편 제4도는 4Al-3C-3TiO₂의 조성에 0.4-0.7몰의 Al₂O₃를 희석제로 첨가하여 합성한 분말의 주사현미경 조직으로, 반응온도의 저하와 더불어 첨가한 Al₂O₃가 핵으로 작용함으로써 Whisker가 강화된 매우 특징적인 조직이 얻어졌고, 기계적 특성의 향상이 예견되고 있다.

이렇게 얻어진 합성물은 분쇄공정을 거쳐 소결특성이 최대로 발휘되는 적정입도를 조절하기 위하여 milling하였으며 mlling media로는 WC 혹은 Al₂O₃ball을 사용하고, 혼합 용매로는 메칠알콜과 에칠알콜 및 아세톤 등을 사용하였다.

즉, 반응이 끝난 다공질상의 합성물을 20-50시간 동안 분쇄시켜 1㎛ 이하의 미세한 입자로 조절할 수 있었으며, 제5도는 Milling 시간에 따른 복합분말에 TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂, MgO 등을 소결조제로 1-5중량% 범위에서 첨가하여 소결하였는데, 소결 조건으로는 1730℃, 30분간 아르곤 분위기하에서 상압소결을 한 뒤, 1570℃, 1500기압의 아르곤 분위기 하에서 열간 정수압 소결(hot isostatic press, HIP)을 실시하였다.

소결 후 밀도는 이론 밀도(4.25g/cm²)를 기준으로 98%로 기존제품보다 낮은 수준이나 기공이 있음에도 불구하고 미세조직 자체는 건전상을 보였으며, 특히 Al₂O₃기지에 TiC가 균일하게 분산되어 있었고 비커스 경도도 2000-2200kg/mm²의 높은 물성값이 얻어졌다.

따라서 Spray dry 공정을 추가시키고 조직을 완전히 치밀화시킬 경우 현장제품과 유사한 기계적 특성이 얻어질 수 있고 타 용도로의 많은 용도가 있을 것으로 기대된다.

아래에는 본 발명의 실시예를 예시하였으나, 본 발명이 이들 실시예에만 한정된 것은 아니다.

실시예

1. 순도 99.8% 이상의 Al, 99.8% 카본블랙 및 98.5%의 TiO₂분말을 화학 양론비(4:3:3)로 칭량한 후 플라스틱 용기에 담아 WC 혹은 Al₂O₃ball로 0.5-3시간동안 혼합시켰으며, 용매로는 메틸알콜을 사용하였다.

혼합이 완료된 분말의 슬러리는 ball 부스러기와 이물질을 제거하기 이해 325mesh로 걸려준 뒤 70-90℃의 온도에서 교반 건조시켰다.

2. 건조가 끝난 분말은 0.5-1.5ton/mm²의 압력으로 성형을 시킨 뒤 0.3-3기압의 아르곤의 분위기하에서 W Wire로 점화시켜 반응시켰다.

이때 성형압력에 의한 분말의 합성에는 큰 영향을 미치지는 않고, 단지 성형압력이 높음에 따라 반응물질의 팽창이 더 큼을 알 수 있었다.

3. 반응이 끝난 다공질상의 합성체를 30시간 동안 Wc ball로 분쇄하여 0.63㎛의 미세한 입자를 얻었으며, 합성분말 내의 Al, Ti, Fe 등의 불순물 함량이 낮고 고순도의 분말이 얻어졌다.

한편, 반응물중의 Al 함량은 0.54-0.83%의 범위로 타 불순물에 비해 다소 높았는데, 10-30%의 염산용액으로 10-60분 동안 leaching 시켜서 Al 함량을 0.40% 미만으로 떨어뜨릴 수 있었고, 총 금속 불순물의 함량이 0.7% 미만인 고순도의 Al₂O₃와 TiC의 복합분말을 얻을 수 있었다.

Claims

몰비로써, 알루미늄(Al) 4.0∼6.0, 탄소(C)원 2.0∼4.0, 산화티타늄(TiO₂) 3.0∼4.0의 혼합분말을 발열체를 이용하여 점화시켜 산화 반응시 발생하는 자체의 발열을 에너지원으로 하는 공지의 SHS법(Self Propagating High Tempersture Synthesis)으로 반응되게 하여 Al₂O₃와 TiO₂의 복합물을 얻어, 이를 밀링(milling)함을 특징으로 하는 고경도 및 고내열성을 갖는 알루미나(Al₂O₃) 및 탄화티타늄(TiO₂) 복합소결체 제조를 위한 복합분말의 제조방법.
제1항에 있어서, 4Al-3C-3TiO₂에 0.4∼0.7몰의 알루미나(Al₂O₃)를 희석제로 첨가함을 특징으로 하는 고경도 및 고내열성을 갖는 알루미나(Al2O3) 및 탄화티타늄(TiO₂) 복합소결체 제조를 위한 복합분말의 제조방법.
제1항에 있어서, 자기 연소 반응법(SHS) 처리에 따른 미반응 Al을 염산으로 리칭(leaching)함을 특징으로 하는 고경도 및 고내열성을 갖는 알루미나(Al₂O₃) 및 탄화티타늄(TiO₂) 복합소결체 제조를 위한 복합분말의 제조방법.
제1항에 있어서, 밀링하여 1㎛ 이하의 미세한 분말이 되게 함을 특징으로 하는 고경도 및 고내열성을 갖는 알루미나(Al₂O₃) 및 탄화티타늄(TiO₂) 복합소결체 제조를 위한 복합분말의 제조방법.