KR970001266B1 - 질화규소소결체 - Google Patents

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타케히사 야마모토
신이치 야마가타
진주 마쯔이
야키라 야마카와
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스미도모덴기고오교오 가부시기가이샤
쿠라우찌 노리타카
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Abstract

내용 없음.

Description

질화규소소결체
제1도는 회전굽휨피로한계그래프.
제2도는 회전굽휨피로시험용 시험편의 형상.
제3도는 회전급휨시험기의 개념도.
본 발명은 실온에 있어서 우수한 기계적 특성을 지니고, 스캐터링이 작고, 또한, 생산성 및 비용면에서도 우수한 질화규소소결체에 관한 것이다.
질화규소는 강도, 파괴인성, 내식성, 내마모성, 내열충격성, 내산화성이 잘 조화된 재료이므로, 절삭공구, 마찰접동부품 또는 기타구조재료등의 각종 응용분야에 널리 사용되어 왔으나, 이런 세라믹재료는 금속재료와 비교하여 볼 때 강도 및 신뢰성에 있어 열세하다고 하는 문제점이 있었다.
질화규소소결체의 강도가 열세한 한이유는, 질화규소소결체에 있어서의 입자경계상과 밀접한 관련이 있는 바, 입자경계상은 질화규소를 소결하는데 있어 불가결한 성분인 소결조제로부터 형성된 유리상으로 이루어져 있고, 일반적으로, 이런 유리상은 소결체의 매트릭스상과 비교해볼 때 부서지기 쉬운 까닭에, 입자경계상에 응력집중이 걸리면 매우 부서지기 쉽게 되어, 이것이 질화규소소결체의 강도를 저하시키는 것이다.
그러므로, 지금까지 질화규소소결체의 입자경계상을 감소시킴으로써 강도를 향상시키는 각종방법이 시도되어 왔다. 예를 들어, 일본국 특개평 No. 2-70715호 및 No. 3-117315호에는, α-Si3N4의 등축상결정입자의 β-의 주상 결정입자로 이루어진 정밀한 입자구조를 형성함으로써 입자경계상의 두께을 감소시키는 기술을 개시하고 있으나, 미세한 α형 결정입자를 얻기 위해서는 높은 α-비율을 지니는 미세 분말을 루바 재료분말로서 사용해야만하므로, 제조비용을 높게 한다. 더욱이, 얻어진 질화규소소결체의 향상된 강도특성을 보장하기 위해서는, β-결정화에 대한 전환비를, 소결에 의해 증가시켜야만 하나, 이런 소결공정시, β형 결정입자는 2㎛ 이상으로 성장하기 때문에, 상기 언급한 구조 세밀화기술만으로 입자경계상을 감소시키는데는 한계가 있다.
또한, 일본국 특개소 No. 61-91065호 및 동 특개평 No. 2-44066호에는, 일반식 Mx(Si,Al)12(O,N)16(식중, M은 Mg, Ca, Li 및 희토류원소로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상)의 등축상 α'-사이아론과 β'-사이아론을 조합시키는 방법이 개시되어, 복합결정상을 형성시킴으로써 강도등의 기계적 특성을 향상시키고 있으나, 이들 공보에 개시된 실시예로부터 명확하듯이 100kg/mm2이상의 굽휨강도를 안정하게 지니는 소결체는 모두 고온프레스법에 의해 얻어지는 것으로, 이 방법은 공업적규모로의 높은 강도 특성을 안정하게 보장하는데는 적당하지 않다.
강도를 향상시키기 위한 또 다른 시도로서, 질화규소소결체구조에 미세이물질을 분산시켜 복합구조를 형성하는 것이, 예를들어, 일본국 특개평 No. 4-202059호에 크기가 1~500nm인 미립자를 평균단축이 0.05~3㎛이고 에스펙트비가 3~20인 주상질화규소, 혹은 사이아론에 분산시키는 방법이 개시되어 있으나, 이 방법 역시 실시예에서 최고강도로서 167kg/mm2을 나타내고는 있지만 조악한 질화규소가 존재하기 때문에 강도열화를 초래하기 쉽고, 와이불(Weibull)계수는 9정도에 지나지 않아, 안정하게 높은 강도특성을 얻는데는 문제점이 있었다.
또한, 일본국 특개평 No. 4-295056호에는 주상질화규소결정입자의 입자경계상에 이물질입자를 분산시키는 방법을 개시하고 있으나, 이 방법에 있어, 주상질화규소 결정입자의 단축직경과 장축직경은 각각 최대 2~3.5㎛, 10~14㎛이므로, 매트릭스자체가 파괴원으로 되고, 실시예에 나타낸 강도는 최고 158kg/mm2에 불과하며, 또한 소정온도도 1800℃ 이상일 것을 필요로 하므로, 이 방법 역시 생산성 및 비용면에 있어 만족스럽지 못하다.
종래기술에 내재된 문제점에 비추어볼 때, 본 발명의 목적은 기계부품 혹은 부재의 구조재료로서 사용에 충분한 강도를 지니고, 강도의 스캐터링을 최소로하는 동시에 고신뢰성을 지니고, 또한 생산성과 제조비용에서 유익한 질화규소소결체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Si3N4및/또는 사이아론의 주상결정입자, Si3N4및/또는 사이아론의 등축상 결정입자와, 이들 주상 및 등축상결정입자 사이에 존재하는 입자경계상과, 입자경계상에 분산한 입자로 이루어지고, 주상결정입자의 평균단축입경이 0.3㎛ 이하, 평균장축입경이 5㎛ 이하이며, 등축상결정입자의 평균입경이 0.5㎛ 이하, 분산입자의 평균입경이 0.1㎛ 이하이고, 분산입자의 체적이 나머지 소결체전체적을 기준으로 해서 0.05 체적% 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소소결체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 질화규소소결체의 강도 열화를 일으키는 입자경계상의 상대적 비율을 감소시키기 위해, 질화규소 및/또는 사이아론의 주사결정입자와 등축상결정입자를 조합하여 고밀도로 충전시키고, 동시에, 주상 및 등축상결정입자 사이에 존재하는 입자경계상내에 미립자를 분산시킨다. 이런 미세구조에 있어, 입자경계상의 표면적은 증가하고, 유리상의 상대적 비율은 감소한다. 더욱이, 입자경계상에 분산된 미립자의 존재에 의해 입자성장이 전체구조를 통해 효율적으로 억제될 수 있음이 확인되었던 바, 주상결정입자 및 등축상 결정 입자의 입자크기를 제어함으로써 미세하고 균일한 구조를 얻을 수가 있다.
따라서, 본 발명의 질화규소소결체에서는, 질화규소 및/또는 사이아론의 주상 및 등축상결정입자가 미세하고, 또한 균질화되어 입자경계상의 양의 저감에 의해 입자경계상에서의 부서짐을 감소시킬 수 있고, 그 결과, JISR 1601에 따른 실온에서 3점굽휨강도에 있어서 160g/mm2이상의 강도를, 고충격강도 및 우수한 피로특성과 함께 안정하게 보장할 수 있다. 따라서, 이런 우수한 기계적특성을 지니는 질화규소소결체를 낮은 비용과 우수한 생산성으로 얻을 수 있으며, 본 발명의 질화규소소결체는 절삭특성이 우수하기 때문에 절삭공구용재료로서 매우 안정하다는 것이 판명되었다.
이와 같은 우수한 강도를 안정하게 얻기 위해서는, 소결체는 주상결정입자(β-결정)와 등축상결정입자(α-결정)를 둘다 함유하고, 주상결정입자의 평균단축입경이 0.3㎛ 이하, 평균장축입경이 5㎛ 이하이고, 동 축결정입자의 평균입경이 0.5㎛ 이하일 것이 필요하다. 이들 결정입자의 평균입경이 각각의 상한을 초과하면, 소결체구조는 불균일해지고 조악한 결정입자가 파괴원으로 행동한다. 또한 주상결정입자와 등축상결정입자의 충전밀도가 감소사고 입자경계상의 두께가 증가하므로 얻어진 소결체에서는 강도감축이 발생한다.
본 발명에 있어, α'-사이아론과 β'-사이아론은 각각, 일반식 Mx(Si,Al)12(O,N)16(식중, M은 Ti, Ni, Hf, V, Cr, Mg 및 희토류원소로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상이고, 0X≤2.0이다)과, 일반식 Si6-zAlzOzN8-z(식중, 0X≤4.2)로 표현되는 고용결정상이다.
입자경계상에 분산된 미립자의 평균입경은 0.1㎛ 이하이고, 입자경계상에 분산된 입자에 의해 점유된 체적분율은 분산미립자를 제외한, 소결체의 나머지상의 전체체적을 기준으로해서, 0.05체적% 이상이어야 한다. 분산입자의 평균 입경이 0.1㎛ 이상이면, 입자경계상에 존재하는 입자이외에, 3중점상태에 존재하거나 혹은 등축상결정입자크기와 동일한 크기를 지니는 입자의 양이 증가하므로, 유리상의 상대적 양은 감소될 수 없고, 구조를 통해 전체입자성장이 현저하게 된다. 그 결과, 소정수준의 강도를 달성할 수 없다. 상기 특정입자 크기에 대해 분산입자의 크기를 제어함으로써 분산입자는 전체구종 있어 입자성장을 억제하는 효과를 발휘하여 균일하고 세밀한 구조를 형성한다.
또한, 입자경계상의 분산입자체적의 소결체구조의 나머지 전체체적을 기준으로 해서 0.05체적% 이하이면, 유리상의 감소량이 매우작으므로 소정특성을 얻을 수 없게 된다. 반면, 분산입자체적이 너무 많으면, 분산입자의 평균입자크기가 불가피하게 커지게 되므로, 입자경계상에서의 분산입자체적을 입자의 평균입자 크기가 0.1㎛, 바람직하게는 0.03㎛ 이하가 되도록 제어할 필요가 있다.
분산입자는 질화규소 및 사이아론 이외의 화합물로, 예를 들면, Ti, Zr, Hf, V, Cr등의 화합물을 사용하고 이들중에서, Ti 화합물이 특히 바람직하다.
이들 화합물은 X선 회절측정에 의해 소결체에 있어서 적어도 TiN등의 질화물로 존재하는 것이 확인 되었다.
특히, 분산입자가 티탄화합물로 이루어진 경우, 입자경계상에서 화합물로 점유된 체적은 소결체의 나머지의 전체체적을 기준으로해서 0.05~4체적%, 바람직하게는 0.05~2체적%로 존재하며, 티탄화합물의 체적%가 0.05체적% 이하이면, 소정수준의 강도를 얻을 수 없다. 반면, 체적%가 4체적% 이상이면, 틴탄화합물입자의 응집에 의해 평균입자크기가 커지게 되고 결함이 형성되므로 소정수준의 강도를 얻을 수 없다. 더우기 티탄화합물의 체적이 4체적% 이상 이면, 이런 과량의 티탄화합물의 존재에 의해 원료분 말의 소결성이 낮아지고 얻어진 소결체에 불균일부분이 형성됨으로써 강도가 감소하게 된다.
본 발명의 질화규소소결체를 얻기 위해, 가능한 가장 낮은 온도에서, 질화규소의 분말원표면에 전재하는 SiO2와 반응을 통해 액상을 형성할 수 있는 소결조제를 사용하며, 이런 소결조제의 예로는 Y2O3, Al2O3, MgO, CeO2, CaO 스피넬 등이 있다. 출발재료분말혼합물을 압분체로 성형하고 질소가스분위기 또는 기타 비산화성분위기하의 1650℃ 이하에서 소결한다. 더욱이, 소결체를 빈산화성가 압분위기에서 2차소결하여 소결체를 치밀화하는 것이 바람직하며, 2차소결은 제1소결직후나, 제1소결체를 실온으로 냉각한 후에 행한다.
본 발명에 있어서, 분산화합물용 출발재료로서, TiN등의 질화물을 들 수 있고, 비록, TiN 분말 혹은 기타 질화물분말자체를 출발재료로도 사용할 수 있지만 소결공정시 분산화합물입자를 형성할 수 있는 TiO2분말, 기타 산화물분말 등의 화합물분말을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 출발재료로서 TiO2분말을 사용할 경우, 1차 입경은 0.1㎛ 이하의 평균 입경을 지니는 TiN을 함유하는 분산입자를 형성하도록 0.2㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, Ti 화합물등의 분산입자는 소결공정지 입자성장을 효과적으로 방지하므로, 높은 α 결정화율을 지니는 고가의 미세질화규소분말재료원을 사용할 필요없이, 질화규소 및/또는 사이아론의 β형 주상결정입자와 α형 등축상결정입자로 이루어진 균일하고 미세한 구조를 얻을 수 있다. 또한, 1650℃ 이하의 낮은 소결온도를 채택하므로 대량생산에 적합한 푸셔형 또는 벨트형등의 연속소결로를 사용할 수 있으므로, 질화규소의 승화를 억제하기 위해 가압분위기에서 소결을 행할 필요도 없다. 또한, 열간정수압프레스(HIP)소결을 사용하지 않아도 용이하게 고강도의 소결체를 얻을 수 있으므로, 본 발명의 소결체는 생산성 및 비용에 있어서 유익한 것이다.
이하, 본 발명을 실시예와 관련하여 상세히 설명한다.
실시예 1
시판되는 평균입경 0.7㎛, α 결정화율 85%인 Si3N4분말과, Y2O3분말, Al2O3분말 및 MgO 분말로 이루어지는 소결조제를 표 1에 나타낸 혼합비로 혼합하다. 얻어진 각각의 혼합물에, 1차 입경이 30mm인 TiO2분말을 분산입자의 원료로서 표 1에 나타낸 양으로 첨가한다. TiO2의 첨가량은 TiO2를 제외한 다른 출발분말재료의 충중량을 기준으로 해서 중량퍼센트(wt%)로 나타내었다.
다음, 얻어진 소결체에 미립자로 분산되는 TiO2또는 기타원료의 양은 다른 출발분말재료의 충중량을 기준으로 해서 중량퍼센트로 나타내었다. 상기 분말을 에탄올내에서 나일론보올밀로 100시간 동안 습식혼합하고 3000kg/cm2하에 CIP(냉각정수압프레스)성형한다.
* 비교예
이렇게 성형된 각각의 압분체를 1atm, 질소가스분위기하의 1500℃에서 4시간동안 1차소결한 다음 1000atm, 질소가스분위기하의 1600℃에서 1시간 동안, 2차소결한다.
각각 크기가 3mm×4mm×40mm인 15개의 굽휨시험편을 각각의 소결체로부터 절단해내고 #800연마용 다이아몬드휠로 연마하여 가공한다. 각각의 시험편에 대해서 JISR 1601에 따라 실온에서 3점 급휨강도시험을 행하고 평균 굽휨강도 및 와이불계수를 측정한다.
각각의 소결체에 대해 상대밀도를 측정하고, 2가지 형태결정의 α,α':β,β'비를 α-(α'포함)등축상결정대 β-(β'포함)주상결정의 피이크세기비율, 즉, (I+I') : (I+I')(식중 I, I', I, I'은 X선 회절로 측정된 α- 및 α'-등축상결정과 β- 및 β'-주상결정의 각각의 피이크세기이다)로부터 얻는다.
α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상입자 및 β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상입자의 평균입경을 측정하기 위하여, 각각의 소결체를 임의 표면해서 랩핑 및 에칭하고, 이렇게 처리된 표면을 주사형전자형미경(배율 : X 5,000)하에 10영역에서 관찰한다. α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상입의 평균직경을 원형입자의 평균직경을 측정함으로서 결정한다. β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상입자의 평균단축직경은 정사각형 혹은 직사각형입자의 단축 방향으로의 평균직경으로부터 결정하며, 주상입자의 평균장축직경은 직사각형입자의 장축방향내 평균직경으로부터 결정한다. 또한, 입자경계상에 존재하는 Ti 화합물의 평균입자크기와 체적비(Vol%)를 전사형전자현미경(배율:X40,000)으로 10영역에서 관찰하여결정한다. 나머지 소결체에 대한 입자경계상에 존재하는 Ti 화합물의 체적비는 입자경계상의 Ti 화합물의 면적비를 3/2분말로 높임으로서, 즉,에 의해 계산된다.
* 비교샘플
* 비교샘플
상기 결과로부터 명백하듯이, 본 발명의 샘플은 모두 170kg/cm 이상의 높은 굽휨강도를 지니고, 22 이상의 와이불계수로부터 나타낸 바와 같이 이 들의 강도값은 작다.
이와 대조하여, 비교샘플 8.9는 분산입자의 불충분한 체적%로 인해 강도가 향상되지 않고 비교예 10.11은 분산입자의 체적%가 과도하게 높고 입자크기가 너무 크기 때문에 강도가 감소된다.
실시예 2
실시예 1에서 사용된 것과 동일한 원료분말을 표 4에 나타낸 각각의 혼합비로 혼합한다. 샘플 No. 2 및 8은 실시예 1과 동일한 조성을 지닌다. 얻어진 혼합물을 실시예 1과 동일한 방법으로 성형하고, 표 5에 나타낸 조건하에 질소가스분위기에서 1차 소결 및 2차 소결한다.
* 비교샘플
* 비교샘플
얻어진 소결체의 각 샘플을 상대밀도, α,α':β,β'비율, β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상결정입자의 장축 및 단축에서의 평균입자크기, α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상결정입자의 평균입자크기, 분산입자의 평균입자크기 및 나머지 소결체의 총체적 (분산입자제외)에 대한 입자경계상에 분산된 입자의 체적 퍼센트(Vol.%)를 실시예 1과 동일한 방법으로 측정한다. 또한, 각 샘플에 대해 3점굽휨강도 및 와이불계수를 실시예 1에 나타낸 동일공정으로 실온에서 측정한다. 결과를 표 6 및 7에 나타내었다.
* 비교샘플
실시예 3
TiO분말의 1차 입자크기를 표 8에 나타낸 바와 같이 변경하는 이외는 실시예 1에 사용된 동일 출발재료를 사용하여 표 8에 나타낸 조성물을 제조한다.
실시예 1과 마찬가지로, 각각의 분말혼합물을 압분체로 성형하고 질소분위기, 1atm의 1500℃에서 4시간 동안 1차소결한 다음 질소분위기 1000atm의 1600℃에서 1시간 동안 2차 소결한다.
* 비교샘플
** 1차입크기
이렇게 얻어진 각 샘플을, 상대밀도, α,α':β,β'비율, β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상결정입자의 장축 및 단축에서의 평균입자크기, α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상결정입자의 평균입자크기, 나머지소결체의 총체적 (분산입자제외)에 대한 입자경계상에서의 분산입자 평균입자크기 및 분산입자의 체적 퍼센트(Vol.%)를 실시예 1과 동일한 방법으로 측정한다. 또한, 3점굽휨강도 및 와이불계수를 실시예 1과 동일한 공정으로 실온에서 각 샘플에 대해 측정한고, 결과를 표 9 및 10에 나타내었다.
* 비교샘플
* 비교샘플
상기 결과, Ti 화합물분산입자용 재료분말원으로서 1차입자크기가 큰 분발을 사용하면, 얻어진 소결체에 분산된 입자의 입자크기 역시 큼을 알 수 있고, 분산입자의 평균입자크기가 0.1㎛을 초과하면, 굽휨강도 및 와이불계수는 감소하고 스캐터링효과가 뚜렷해진다.
실시예 4
TiO분말의 1차 입자크기를 표 11에 나타낸 바와 같이 변경하는 이외는 실시예 1에서 사용된 동일한 출발재료를 사용하여 표 11에 나타낸 조성물을 제조한다. 샘플 4, 8, 11은 실시예 1에 사용된 것과 동일 조성을 지닌다. 실시예 1과 마찬가지로, 각각의 분말혼합물을 압분체로 성형하고, 1atm, 질소분위기의 1500℃에서 4시간 동안 1차소결한 다음, 1000atm, 질소분위기 의 1575℃에서 1시간 동안 2차 소결한다.
* 비교샘플
** 1차입자크기
각각의 소결체로부터 테스트칩을 절단해내고 표 12에 나타낸 조건하에 절단 시험을 한다. 각각의 테스트 결과를 표 13에 나타내었다. 칩의 수명에 대한 판단기준은 0.3mm의 플랭크마모폭을 형성하는데 드는 절단 시간을 측정함으로써 정한다.
* 비교샘플
상기 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 질화규소소결체는 연속절단 및 간헐절단시의 절단성능이 모두 우수하고, 절삭공구로서 안정하다.
실시예 5
분산입자용 분말원으로서 표 14에 나타낸 각각의 산화물분말을 사용한다. 각각의 산화물분말을 실시예 1에 사용된 것과 다른 출발재료분말과 표 14에 규정된 혼합비로 혼합한다. 얻어진 각각의 분말혼합물을 압분체로 성형하고, 1atm 질소분위기, 1500℃에서 4시간 동안 1차소결하고, 다음 1000atm 질소분위기, 1600℃에서 1시간 동안 2차 소결한다.
얻어진 각각의 소결체샘플을 실시예 1과 동일한 방법에 따라, α,α':β,β'비율, β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상결정입자의 장축 및 단축에서의 평균입자크기, α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상결정입자의 평균입자크기, 분산입자의 평균입자크기 및 나머지 소결체의 총체적 (분산입자제외)에 대한 입자경계상에서의 분산입자의 체적 퍼센트(Vol.%)를 측정한다. 또한, 3점굽휨강도 및 와이불계수를 각각의 샘플에 대해 실시예 1과 동일한 공정으로 실온에서 측정한다. 결과를 표 15,16에 나타내었다.
* 비교샘플
실시예 6
평균입경이 0.7㎛인 통상의 SiN분말을 표 17에 나타낸 혼합비(산화물의 중량비)로 Y, Al, Mg와 혼합한다. 각각의 혼합물에, 1차입자크기가 15nm인 산화티탄분말을 분산입자용 재료원으로서 표 17에 나타낸 양으로 첨가한다. 상기 분말을 나일론보올밀로 에탄올내에서 100시간 동안 습식혼합하고 3000gk/c, 하에 CIP성형한다.
표 17에 나타낸 각각의 압분체를 1atm 질소가스분위기 1500℃에서 4시간 동안 1차소결한 다음 1000atm, 질소가스분위기의 1575℃에서 1시간 동안 2차 소결한다.
얻어진 각각의 소결체샘플을 실시예 1과 동일한 방법에 따라, 상대밀도, α,α':β,β'비율, β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상결정입자의 장축 및 단축에서의 평균입자크기, α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상결정입자의 평균입자크기, 분산입자의 평균입자크기 및 나머지소결체의 총체적 (분산입자제외)에 대한 입자경계상에서 분산입자의 체적퍼센트(Vol.%)를 측정한다. 또한, 3점굽휨강도 및 와이불계수를 각각의 샘플에 대해 실시예 1과 동일한 공정으로 실온에서 측정한다. 결과를 표 18에 나타내었다.
*제2소결체의 상대밀도
실시예 6에서 사용된 동일 분말을 사용하여 표 19에 나타낸 조성물의 압분체를 제조하고, 표 20에 규정된 조건하에서 질소분위기하에 1차소결 및 2차소결을 행한다. 2차소결은 규정된 2차소결조건하에 1차소결직후 또는 각각의 1차소결체를 실온으로 냉각한 후에 행할 수 있다.
얻어진 각각의 소결체샘플을 실시예 1에 규정된 동일 방법으로, 상대밀도 α,α':β,β'비율, β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상결정입자의 장축 및 단축에서의 평균입자크기, α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상결정입자의 평균입자크기, 분산입자의 평균입자크기 및 나머지 소결체의 총체적 (분산입자제외)에 대한 입자경계상에서 분산입자의 체적퍼센트(Vol.%)를 측정한다. 또한, 각각의 샘플에 대해 실시예 1과 동일한 공정으로 실온에서 3점굽휨강도 및 와이불계수를 측정한다. 결과를 표 21에 나타내었다.
제 2소결체의 상대밀도
실시예8
표 22에 나타낸 바와 같이 다른 종류의 3개의 조성물을 사용하여, 1atm 질소가스분위기하의 1500℃에서 1시간 동안 1차소결하고, 500atm, 질소가스분위기하의 1600℃에서 4시간 동안 2차 소결을 하여 소결체를 제조한다. 조성물에 있어, 산화티탄의 1차입자크기를 표 22에 나타낸 바와 같이 변경한다.
얻어진 각각의 소결체샘플을 실시예 1에 규정된 동일 방법으로, 상대밀도, α,α':β,β'비율, β-SiN및/또는 β'-사이아론의 주상결정입자의 장축 및 단축에서의 평균입자크기, α-SiN및/또는 α'-사이아론의 등축상결정입자의 평균입자크기, 분산입자의 평균입자크기 및 나머지 소결체의 총체적 (분산입자제외)에 대한 입자경계상에서 분산입자의 체적퍼센트(Vol.%)를 측정한다. 또한, 각각의 샘플에 대해 실시예 1과 동일한 공정으로 실온에서 3점굽휨강도 및 와이불계수를 측정한다. 결과를 표 23에 나타내었다.
* 비교샘플
** 1차입자크기
* 비교샘플
** 2차소결체의 상대밀도
실시예 9
표 24에 나타낸 조성을 지닌 출발재료를 대기압하의 1500℃에서 4시간 동안 1차소결하고, 1000atm, 질소가스분위기하의 1575℃에서 1시간 동안 2차 소결한다. 얻어진 각각의 소결체로 샤르프(charpy) 충격시험 및 피로시험을 행한다.
JIS 1601에 따르면, 샤르피시험은 샤르피용량 1.5kgfcm, 충격속도 0.76m/sec하에 행하고, 피로시험은 오노 회전굽휨시험법(상승부의 직경: 6mm, 양단고정부의 직경: 8mm, 게이지길이: 12mm)에 따라 행한다. 시험견본의 치수를 표 2에 밀리미터단위로 나타내었고, 사용된 시험기의 개념도를 제3도에 나타내었다. 제3도에 있어, 수자는 다음과 같다.
1 : 견본 2 : 견본고정부 3 : 중량
샤르피충격시험결과를 표 25에 나타내었고, 피로시험결과를 제1도에 나타내었다.
상기 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 샘플은 비교샘플과 비교해볼 때 높은 충격값과 우수한 피로강도를 지닌다.
본 발명에 따르면, 3점굽휨강도가 실온에서 160kg/mm 이상인 우수한 기계적 특성과, 강도특성에서의 스캐터링이 최소이고, 또한 고신뢰성을 지닌 질화규소 소결체를 제공한다. 또한, 본 발명의 소결체는 우수한 생산성과 비용면에서 아주유익하다.
이런 우수한 소결체는, 실온에서 고강도수준을 요구하는 분야에서 지금까지 사용된 금속재료를 대체할 수 있는 유망한 구조재료, 또한 절삭공구용재료로서 특히 요구된다.

Claims (6)

  1. Si3N4및/또는 사이아론의 주상결정입자, Si3N4및/또는 사이아론의 등축상결정입자사이에 존재하는 입자경계상 및 입자경계상에 분산된 입자로 이루어지며, 주상결정입자는 단축이 0.3㎛ 이하인 평균입자크기와 장축이 5㎛ 이하인 평균입자크기를 지니고, 등축상결정입자는 평균 입자크기가 0.1㎛ 이하이며, 나머지 소결체의 총체적에 대한 분산입자의 체적이 0.05~4vol%인 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체.
  2. 제1항에 있어서, 분산입자의 평균크기는 0.03㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체.
  3. 제1항에 있어서, 분산입자는 Ti, Zr, Hf, V, Cr의 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체.
  4. 제3항에 있어서, 분산입자는 티탄화합물로 이루어지며, 분산된 티탄화합물의 체적은 나머지 소결체의 총체적에 대해 0.5~4vol%인 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체.
  5. 제4항에 있어서, 분산티탄화합물의 체적인 나머지 소결체의 총체적에 대해 0.05~2vol%인 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체.
  6. 제1항에 있어서, 절화규소 소결체의 강도는 JIS R 1601에 따른 실온에서의 3점굽휨강도가 160kg/mm2이상인 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체.
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