KR100321295B1

KR100321295B1 - 세라믹스-알루미늄 복합체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100321295B1
Application number: KR1019990024270A
Authority: KR
Inventors: 임경란; 홍미정; 김소진; 구희진
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2002-03-18
Also published as: KR20010003819A

Abstract

본 발명은 세라믹스-알루미늄 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명은 세라믹 분말을 알루미나 졸로 표면처리하여 알루미늄의 웨팅(wetting)을 향상시킴으로써 알루미늄을 완전하게 함침시킨 세라믹스-알루미늄 복합체를 제공한다. 또한 본 발명은 증류수에 분산된 세라믹 분말에 알루미나 졸을 첨가하여 세라믹 분말 표면을 알루미나 전구체로 코팅시키고, 상기 코팅에 의해 표면처리되어 알루미늄의 웨팅이 향상된 세라믹 분말의 성형체를 제조한 후, 상기 성형체를 1200℃ 이상의 고온으로 진공 또는 아르곤 분위기에서 미리 열처리 하거나, 이러한 전처리 없이 성형한 그대로 진공 또는 대기압의 아르곤 분위기에서 알루미늄 합금을 함침시키는 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의하면 균일한 내부구조를 갖고 불필요한 상들을 억제시킨 우수한 물성의 세라믹스-알루미늄 복합체를 얻을 수 있으며, 공정상 간단하고 용이하며 경제적인 세라믹스-알루미늄 복합체 제조가 가능하게 된다.

Description

세라믹스-알루미늄 복합체 및 그 제조방법{CERAMICS-ALUMINUM COMPOSITE AND ITS PREPARATION METHOD}

본 발명은 세라믹스-알루미늄 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

세라믹스는 비중이 작고, 강도는 높으나 깨지기 쉬운 단점이 있고, 금속은 깨지지는 않으나 강도가 낮은 단점이 있다. 다라서 서로의 단점을 보완하고, 장점을 살리기 위해 세라믹스와 금속간의 복합체 즉, 서멧(cermet)에 대한 연구가 많이 수행되어 오고 있다. 특히 가볍고 내산화성이 우수한 알루미늄과 세라믹스 사이의 복합체 연구가 활발히 진행되어오고 있다.

알루미늄 서멧 제조방법으로는 세라믹 성형체에 알루미늄을 함침(infiltration)시키는 방법, Lanxide와 같이 알루미늄을 산화시켜 Al/Al₂O₃복합체를 만드는 방법, 세라믹 성형체를 부분 소결시킨 후 용융알루미늄을 가압으로 기공사이에 스며들게 하는 방법 등이 있다.

가볍고 강도가 높은 B₄C/Al 복합체의 경우 구조 재료외에 방탄재료로 각광을 받고 있어 많은 연구가 이루어져 왔다. 다른 세라믹, 예컨데 SiC, TiB₂, Al₂O₃, TiC 등 과는 달리 B₄C는 Al과 반응이 잘 일어나기 때문에 B₄C와 Al 사이의 반응을 억제하고 Al의 함침을 유도하기 위해서는 B₄C의 표면개질이 필요하며, 이를 위하여 복잡한 여러 공정들이 알려져 있다.

일반적으로 세라믹스-알루미늄 복합체는 고온에서 반응의 제어가 용이하지 않고 원치 않는 반응생성물이 발생하여 우수한 성질을 갖는 복합체 제조에 어려움이 있다. B₄C의 경우 Al과 450℃ 이상에서 반응하기 시작하는데, 온도가 올라갈수록 반응속도가 빨라지고, 반응성 함침(reactive infiltration)이 일어나 반응중에 함침이 이루어질 뿐만아니라 여러 가지 반응물, 예컨대 AlB₂, Al₄BC, AlB₁₂C₂, AlB₁₂, Al₄C₃, Al₃BC 등이 생성된다. 또한 상기 반응중 반응속도를 마음대로 조절할 수 없어 대부분의 Al이 소모되므로 B₄C와 Al의 복합체를 제조하기가 용이하지 않다. 반면 SiO₂, TiB₂, Al₂O₃, TiC 의 경우에는 Al과의 반응이 없이 함침이 일어난다. 따라서 B₄C/Al 복합체를 제조하기 위해서는 Al이 B₄C와 반응하기 전에 함침이 먼저 일어나는 것이 바람직하다. 즉, Al이 B₄C와 반응하기 전에 용융 알루미늄의 함침이 빠르게 일어나야 한다. 한편 함침이 일어나기 위해서는 우선 알루미늄의 웨팅이 일어나야만 한다. 따라서 세라믹스 성형체에 Al의 웨팅을 일어나게 하는 방법이 B₄C/Al 복합체 제조의 주요 핵심기술이라 할 수 있고, 대부분의 특허는 이와 관련된 분야에 집중되고 있다.

B₄C/Al복합체를 들어 종래의 세라믹스-알루미늄 복합체 제조기술을 살펴보면 다음과 같다.

미국특허 3,864,154의 경우는 Al에 Si을 혼합함으로써 Si가 습윤제(wetting agent)의 역할이 되게 하였다. B₄C 경우에는 구체적인 함침조건을 알 수 없으나, AlB₁₂을 이용하였을 때에는 10^-5torr에서 1×0.3 인치의 펠렛에 Al을 함침시키기 위해 1100℃에서 3시간 유지시켰으며, 미국특허 3,725,050에서는 B₄C 분말에 열분해시 미량의 무정형 탄소를 남길 수 있는 유기물을 첨가하여 B₄C 성형체를 제조하여 Al의 함침이 일어나도록 하였다. 또한, 미국특허 3,718,441에서는 Al 표면의 산화막을 진공하에서 열처리로 제거하여 웨팅을 촉진시켰으며, 미국특허 2,612,443에서는 성형체를 약하게 소결한 후 용융금속을 가압하에서 기공사이로 밀어넣는 방법을 이용하였다.

한편, 미국특허 4,605,440에서는 B₄C 분말과 Al 분말을 알코올에서 혼합한 후 석고몰드에서 슬립 캐스팅(Slip casting)하여 성형체를 얻은 후 1050℃ ∼ 1200℃에서 10분간 열처리하고 온도를 800℃로 낮추어 24시간 동안 후열처리하여 B₄C/Al복합체를 제조하였는데, B₄C와 Al함량이 감소하는 반면, B₄C와 Al사이의 여러 반응생성물, 예컨대, AlB₂, Al₄BC, AlB₁₂C₂, AlB₁₂, Al₄C₃등이 생성되었다. 그 중 1200℃의 온도에서 열처리한 것은 Al₄BC가 34 vol%로 가장 많다고 한다. 비중에 대한 자료가 없어 정확히 알 수 없으나, 완전한 소결은 일어나지 못한 것으로 생각된다. PCT WO87/00557에서는 B₄C성형체에는 순수 Al의 함침이 일어나지 못하지만, 유기물의 열분해로 생성되는 잔류탄소가 Al에 대한 웨팅을 촉진시킨다는 앞의 자료에 착안하여 B₄C 성형체를 탄소로(graphite furnace)를 사용하여 진공하에 1800℃ ∼ 2250℃의 온도에서 열처리하여 약간의 잉여탄소가 남아있는 부분소결된 B₄C성형체를 제조하여 B₄C와 Al 사이의 심한 반응을 억제시킴으로써, B₄C와 Al 사이의 반응 생성물이 적게 포함된B₄C/Al복합체를 제조하는 것이다. 예컨대, B₄C 성형체는 석고몰드에 슬립 캐스팅하여 제조하고 이것을 진공로를 이용하여 2150℃에서 30분간 열처리하여 약64%의 밀도를 가진 B₄C 성형체를 제조한 후 이것을 용융 Al에 넣어 10^-2torr 압력하에 1190℃에서 30분간 유지하여 B₄C/Al복합체를 제조하는 것으로, Al(31%)과 B₄C(64%)가 대부분을 차지하며, 나머지는 Al₄BC, AlB₁₂, AlB₁₂C₂가 소량 생성된다. 즉 약간의 잉여 탄소와 부분소결로 인해 B₄C와 Al의 반응이 억제되는 것을 알 수 있다. 함침온도는 진공하에 1150℃ ∼ 1250℃, 열처리 온도는 자유 탄소(free C)가 있는 곳에서 1800℃ ∼ 2250℃을 주장하고 있다. 미국특허 4,718,941과 유럽특허 0 250 210 A2에서는 B₄C 분말을 알코올 등의 유기용매에 침지하여 분말의 표면화학 성질을 변화시켜 알루미늄의 함침을 촉진시키는 것인 바, 함침은 진공하에 1050℃ ∼ 1180℃의 온도에서 일어난다고 한다. 미국특허 4,744,943과 5,298,468에서는 B₄C(0.1 ∼ 3㎛)와 Al (<325 mesh)을 건식 혹은 습식으로 혼합한 후 제조한 성형체를 저탄소함유 강관(low carbon steel can)에 넣고 성형체와 강관 사이를 Al 분말로 채우고 600℃로 가열 한 후 단조용 프레스로 옮겨 120,000 psi(8270기압)에서 30초간 가압하여 성형하는 것이다. 이 방법에서는 98%의 이론 밀도를 얻을 수 있으며, Al의 양이 처음에 넣은 30%에서 16 ∼ 22%로 줄어 든다. 이렇게 제조된 B₄C/Al 복합체는 열처리 조건을 변화시킴으로써 조금씩 다른 조성의 복합체를 만들 수 있으며, 그에 따라 물성도 달라진다고 한다. 또한, PCT WO 94/02655 에서는 B₄C 성형체를 먼저 진공하에 1250℃ ∼ 1800℃의 온도에서 30분 이상 열처리하면, Al의 함침속도를 촉진시킴과 동시에 완전한 함침이 이루어진다고 한다. 1300℃에서 30분간 열처리한 B₄C 성형체에 Al 조각을 올려놓고 10^-1torr 하에 1180℃의 온도에서 105분간 열처리하여 Al이 3.6 vol% 로 낮고 대신 AlB₂가 17.0vol%, Al₄BC가 18.6vol%의 B₄C/Al복합체를 제조할 수 있으며, 이 방법에서는 원치않는 Al₄C₃(< 1 wt%)가 생성된다고 한다.

이와 같이 종래의 공지된 방법으로 제조한 B₄C/Al복합체는 고온에서의 성형체 전열처리, 진공에서의 함침, 특수한 공정이 수행되는 등 공정상의 어려움이 있었다. 뿐만아니라 B₄C와 Al의 계면(interface)구조와 B₄C의 내부(bulk)구조가 상이하며, 제조된 복합체의 미세구조가 일반적으로 균일하지 못하여 물성에도 크게 영향을 미치고 있다. 또한 공정에 따라, B₄C와 Al 외에 AlB₂, Al₄BC, AlB₂₄C₄, Al₄C₃, AlB₁₂과 같은 많은 상들이 동반되어 물성 제어에 문제점이 있었다. 특히 Al₄C₃는 공기 중의 수분과 작용하여 분해하므로, 이 물질이 생성되지 않도록 주의해야 할 필요가 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하여, 세라믹 분말의 표면에 알루미나 전구체를 코팅하여 알루미늄의 함침을 용이하게 하고 균일한 미세구조를 가지며 불필요한 상의 형성을 억제시킨 우수한 물성의 세라믹스-알루미늄 복합체 및 공정상 간단하고 용이하며 경제적인 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 알루미나졸로 표면처리된 B₄C/Al 복합체의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.

도 2는 알루미나졸로 표면처리되지 않은 B₄C/Al 복합체의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.

본 발명은 세라믹스-알루미늄 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명은 세라믹 분말의 표면을 알루미나(Al₂O₃) 졸로 표면처리하여 알루미늄의 웨팅을 향상시킴으로써 알루미늄을 완전하게 함침시킨 세라믹스-알루미늄 복합체를 제공한다.

또한 본 발명은 증류수에 분산된 세라믹 분말에 알루미나 졸을 첨가하여 세라믹 분말 표면을 코팅시키고, 상기 코팅에 의해 표면개질된 세라믹 분말을 건조시켜 성형체를 제조한 후, 상기 성형체를 1200℃ 이상의 고온으로 진공 또는 불활성가스 분위기에서 미리 열처리 하거나, 이러한 전처리 없이 성형한 그대로 진공 또는 대기압의 불활성가스 분위기에서 알루미늄 합금을 함침시키는 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법을 제공한다.

상기 알루미늄을 함침시킨 세라믹스에는 B₄C, TiB₂, TiC, B₄C-TiB₂또는 B₄C-Al₂O₃등의 구조재료용 세라믹스가 포함된다. 한편, 본 발명에 의한 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법은 알루미늄을 함침시킨 후 후열처리에 의해 복합체의 물성을 변화시키는 단계가 추가될 수 있다.

일반적으로 사용되는 B₄C(HP grade, H. C. Starck사, 독일) 분말의 제타 포텐셜(zeta potential)은 슬러리 농도에 따라 다소 차이가 있으나 pH3∼pH10의 범위에서는 -40 ∼ -60 mV이다. 이러한 상기 B₄C 슬러리에 0.5 wt%의 알루미나 졸을 첨가하고, 몇 분 동안 교반하면 제타 포텐셜이 -58 mV에서 12mV로 급격히 변화하며, 2.0 wt%의 알루미늄 졸을 첨가하면 30 mV에 이른다. 그러나, 알루미나 졸을 3.0wt%첨가하면 33mV에 이르고 큰 증가는 나타나지 않는다. 이는 알루미나 졸이 B₄C 분말 표면에 흡착되어 B₄C 분말 표면의 화학성질을 변화시키는 것으로 사료된다. 상기의 알루미나 졸은 특허공고 제 1993-5318호에 나타난 바와 같이 고분자 알루미나 졸이며 열처리조건에 따라 미량의 탄소가 함유될 수 있는 알루미나로 변한다. 이 졸은 세라믹스 분말을 알루미나로 코팅시켜 표면개조에 유용하게 사용할 수 있다.

상기 알루미나 졸은 20 ~ 70몰의 증류수를 약 60℃로 가열하고, 포름산을 1 ~ 4몰 넣어 섞은 후 가열속도를 낯추고 1몰의 알콕사이드를 천천히 가하며 교반을 계속하고, 첨가가 끝난 후 60 ~ 80℃에서 0.5 ~ 30시간 반응시키는 방법으로 얻는다.

반응성 함침이 일어나는 경우인 B₄C와 Al의 경우에는 B₄C분말표면을 알루미나로 코팅시켜 Al과의 반응을 억제시키려 하였다. 이때 알루미나 분말을 사용하는 것보다 알루미나 졸을 사용하여 코팅하는 것이 첨가제로서의 성능을 크게 한다. 또한 단결정 알루미나에 미량의 무정형 탄소를 입혔을 때 알루미늄의 웨팅 각이 낮아지고, B₄C 분말에 과잉의 탄소(C rich B₄C)가 Al의 함침을 촉진시킨다는 사실이 앞에서 인용한 공지 특허들에 보고되었다.

상기 사실들을 근거로 하여, 본 발명은 Al을 함침시켜 세라믹스-알루미늄 복합체를 제조할 때, 세라믹스와 Al의 반응을 억제시키고 용융 Al의 함침을 촉진시키기 위하여 알루미나 졸을 사용함으로써 세라믹 분말을 미리 표면처리하는 것에 특징을 두고있다. 또한 Al을 함침시키기 위하여 고온에서 일정시간 열처리할 뿐만아니라 일정온도에서 일정시간 후열처리하여 복합체의 물성을 변화시키는 것에 특징을 두고 있다.

본 발명에 있어서 첨가되는 알루미나 졸의 양은 세라믹 분말에 대하여 0.1 ~ 3wt%의 범위가 적당하다. 또한 함침시키는 알루미늄 합금의 양은 세라믹 성형체에 대하여 35 ~ 50vol%가 적당하다. 함침 조건에 있어서는, 세라믹스의 경우 분말의 입도가 작을수록 보다 낮은 온도에서 함침이 일어나는데, 대기압의 불활성분위기보다는 진공 중에서 함침시키는 것이 세라믹 분말의 크기와 종류에 따라 30 ~ 50℃정도 낮게 일어나므로 진공 중에서 알루미늄의 함침온도는 1000 ∼ 1200℃의 범위로 하고, 불활성가스분위기(예를 들어 아르곤분위기)에서는 1000 ~ 1250℃의 범위로 하는 것이 적당하다. 함침시간은 온도와 성형체 종류에 따라 다소 차이가 있으나 상기 온도범위에서 20분 이내가 바람직하다. 또한 본 발명에 의한 제조방법에서 진공도는 10^-1torr 이하가 적당하다. 한편 본 발명에 의한 세라믹스-알루미늄 복합체의 미세구조와 물성은 후열처리에 의해 변화시킬 수 있는데, B₄C의 경우를 예로 들면 Al이 B₄C와 반응하여 구성성분인 B₄C, Al, Al₃BC의 상대비가 달라지고, Al의 양을 5wt% 이하로 낮출 수도 있다. 후열처리의 온도는 700℃ ∼ 1000℃의 범위가 적당하다.

본 발명에 의하여, 세라믹 분말에 알루미나 졸을 첨가함으로써 세라믹 분말 표면을 코팅시키고 상기 코팅에 의해 표면처리되어 웨팅이 향상된 세라믹 분말에 알루미늄을 함침시키면, 반응성 함침을 억제하여 강도 특성 등이 우수한 복합체를 얻을 수있게 된다. 또한 본 발명에 의한 B₄C/Al복합체의 경우 XRD상에는 이제까지 알려진 B₄C/Al복합체와는 달리 B₄C, Al, Al₃BC로 되어 있으며 Al₄C₃는 물론 다른 상도 나타나지 않는다. 또한 알루미나 졸로 표면처리한 경우에는 표면처리하지 않은 경우 보다 균일한 미세구조를 보이고 있다.

다음 실시예는 본 발명을 더욱 상세히 예증하여 줄 것이나, 본 발명의 범위가 이에 국한하는 것은 아니다.

[실시예 1]

B₄C(HP Grade, 독일 H. C. Starck사 제품, d₁₀₀<10 ㎛, d₅₀= 3.5 ㎛, d₁₀<0.7 ㎛)를 폴리프로필렌통에 SiC볼과 함께 넣고, 1시간 볼 밀링한 후, 2wt%의 알루미나에 해당하는 알루미나 졸을 첨가하고 1시간 더 볼 밀링 한 다음 얻어진 슬러리를 건조하여 표면처리된 B₄C 분말을 얻었다. 이 분말을 40 × 65 × ∼10mm 크기로 성형압력을 500 kg/㎤로 건식 일축 성형한 후 20,000 psi로 CIP(냉간정수압)하여 성형밀도 약 63%의 성형체를 얻었다.

이 성형체를 먼저 진공(10^-5torr)에서 1300℃/1시간 열처리하고, 기공에 알루미늄이 다 채워졌을 때 필요한 알루미늄 양의 계산치 보다 10wt% 많은 Al 6061 조각을 열처리한 B₄C 성형체 위에 올려놓고 아르곤 분위기에서 1080℃/10분간 열처리하여 B₄C/Al복합체를 얻었다.

얻어진 이 복합체로 부터 제조된 MOR 시편(3 × 4 × 45mm)을 일정조건하 (span 길이 20/40 mm와 cross head 속도 0.5mm/min)에서 4점 굽힘 강도를 시험(MILSTD - 1942)한 결과, 굽힘 강도가 490 MPa이었고, 비중(He-Pycnometer 로 측정)은 2.63 g/㎤이었으며, 물에서 아르키메데스 방법으로 측정한 비중은 2.62 g/㎤이었다. 경도시험(Rockwell경도측정, A scale 60 kg 하중)에서는 경도가 77이었다. 영율은 ∼10 × 50 × 1mm 시편으로 측정한 결과 265 GPa 이었다. 그리고 DSC로 정량한 알루미늄의 양은 8.16wt%이었다. 광학사진으로부터 XRD상 분석에서는 B₄C, Al, Al₃BC로 되어 있으며, AlB₂, Al₄BC, AlB₁₀등은 XRD상에서 검출되지 않았다. 아르곤 분위기하에서 800℃로 8시간 열처리한 시편의 영률은 298 GPa, 굽힘 강도는 369 MPa, Al의 양은 3.88wt%를 나타내었고, 800℃로 16시간 열처리한 시편의 경우 영률이 296.5 GPa, 굽힘강도는 344 MPa, Al의 양은 2.93wt%이었다.

[실시예 2]

실시예 1과 같은 방법으로 제조된 성형체를 진공에서 열처리하지 않고, 그 위에 적정량의 Al 6061 조각을 놓고 아르곤 분위기에서 1150℃로 10분간 열처리하여 B₄C/Al복합체를 제조하였다. 이를 실시예 1에 서술된 방법으로 물성으로 측정하였는 바, 굽힘 강도가 480 MPa, 비중(pycnometer)은 2.64 g/㎤, 물에서 아르키메데스 방법으로 측정한 비중은 2.63 g/㎤, 경도는 78, 영율은 254 GPa이었다. XRD상 분석은 실시예 1에서 제조된 B₄C/Al의 XRD와 정성적으로는 같았으나, 다만 회절 피이크의 강도만 차이를 보였다. 아르곤 분위기에서 800℃로 8시간 열처리한 시편의 영율은 288 GPa, 굽힘강도는 328MPa이고, 800℃로 16시간 열처리한 시편의 영율은 282 GPa, 굽힘강도는 344 MPa이었다.

[실시예 3]

실시예 1에 기술된 방법으로 제조된 성형체를 진공에서 전열처리하지 않고 그 위에 적정량의 Al 6061 조각을 놓고 진공 또는 아르곤 분위기에서 1150℃로 60분간 열처리하여 B₄C/Al복합체를 제조하였다. 경도시험에서 진공에서 함침한 경도가 88, 아르곤분위기에서 함침한 경도가 90이었고, 이들의 XRD는 정성적으로는 같았으나, 다만 회절 피이크의 강도만 차이를 보였다.

[실시예 4]

B₄C 분말 (SHS 방법으로 제조된 분말, d₁₀₀< 50 ㎛, d₁₀< 1 ㎛, d₅₀ 15㎛)을 폴리프로필렌통에 SiC볼과 증류수를 함께 넣고 4시간 동안 볼 밀링한 다음 0.8 wt% Al₂O₃에 해당하는 알루미나 졸을 첨가하고 1시간 더 밀링하고 건조하였다. 이 분말에 물을 약간 첨가하여 과립하였다. 이 B₄C 과립분말로 만든 40 × 65 × ∼ 10 mm크기의 B₄C성형체를 실시예 1에 기술된 방법으로 진공에서 열처리한 후 아르곤 분위기에서 1150℃로 20분간 열처리하여 Al를 함침시켜 B₄C/Al 복합체를 제조하였다. 이 복합체는 굽힘 강도가 350 MPa, 비중(pycnometer)은 2.59 g/㎤이고, 물에서 측정한 비중은 2.57g/㎤, 경도가 74, 영율은 249 GPa였다. 아르곤 분위기에서 800℃로 8시간 열처리한 시편의 영율은 274 GPa, 굽힘강도는 290MPa이고, 800℃로 16시간 열처리한 시편의 영율은 285 GPa, 굽힘강도는 279 MPa이었다.

[실시예 5]

실시예 4에서 제조한 B₄C 성형체를 열처리 없이 성형체 위에 Al 6061 조각을 올려놓고 아르곤 분위기에서 1200℃에서 20분간 열처리하여 Al이 완전히 함침된 B₄C/Al복합체를 제조하였다. 이 복합체의 굽힘 강도가 440 MPa, 비중(pycnometer)이 2.62 g/㎤, 물에서 측정한 비중은 2.61g/㎤ 이었으며, 경도는 76 그리고 영율은 240 GPa 이었다. 이의 XRD는 실시예 3의 복합체와 정성적으로 같고, 피이크의 세기만 차이를 보였다. 아르곤 분위기에서 800℃로 8시간 열처리한 시편의 영율은 268 GPa, 굽힘강도는 353MPa이고, 800℃로 16시간 열처리한 시편의 영율은 266 GPa, 굽힘강도는 295 MPa이었다.

[실시예 6]

실시예 1의 표면처리된 B₄C 분말을 700 kg/㎤ 로 일축 가압하여 직경 20 mm 높이 8 mm의 성형체를 만들었다. 여기에 Al 6061조각을 올려놓고 아르곤 분위기에서 분당 10℃로 1080℃까지 승온한 후, 일정시간 유지하지 않고 분당 10℃로 냉각하여 Al이 완전히 함침된 B₄C/Al 복합체를 제조하였다.

[실시예 7]

실시예 1의 표면처리된 B₄C 분말을 700 kg/㎤로 일축 가압하여 직경 20 mm 높이 8mm의 성형체를 만들었다. 여기에 Al 6061 조각을 올려놓고 진공(10^-1torr)에서 분당 10℃로 1025℃까지 승온한 후, 일정시간 유지하지 않고 10℃로 냉각하여 Al이 완전히 함침된 B₄C/Al복합체를 제조하였다.

[실시예 8]

B₄C(Electro Abrasive사 미국, grade 400, 입도< 38㎛) 분말을 증류수로 세척한 후 사용하였다. 이 분말을 1.0wt%의 알루미나졸로 표면처리하였다. 표면처리 후 건조된 B₄C분말을 700kg/cm²로 일축가압하여 20×8mm의 성형체를 만들었다. 여기에 Al6061 디스크를 올려놓고, 아르곤 분위기에서 분당 10℃로 승온하여 1200℃/20min 로 열처리한 후 분당 10℃로 냉각하여 Al이 완전히 함침된 B₄C/Al 복합체를 제조하였다. 이 복합체의 단면을 자르고 그 표면을 연마한 후, 광학현미경으로 500배 확대한 미세구조를 관측하였다. 이 구조가 도 1에 나타나있다. 도면상에 나타난 미세구조를 보면 B₄C와 Al 상들이 매우 균일하게 분포되어 있는 것을 볼 수 있다.

[비교예 1]

실시예 8에서 세척한 B₄C분말을 알루미나졸로 표면처리 없이 실시예 8과 동일한 방법으로 B₄C/Al 복합체를 제조하였다. 이 복합체의 단면을 광학현미경으로 관측하여 그 미세구조를 도 2에 나타내었다. 도 1에 나타난 표면처리된 B₄C/Al 복합체와 달리 B₄C와 Al의 반응이 많이 진행되어 아래쪽 부분에 매우 작은 그래인(grain)들이 몰려 있는 Al₃BC 상이 많이 생성되어 있음을 알 수 있다.

[실시예 9]

실시예 1과 같은 방법으로 TiB₂(H.C.Starck) 분말의 슬러리에 1.0wt%에 해당하는 알루미나 졸을 첨가하여 얻은 표면처리된 TiB₂분말을 사용하여 700Kg/cm²으로 일축 가압하여 직경 20mm 높이 8mm의 성형체를 만들었다. 여기에 적정량의 Al 6061 디스크를 올려놓고 아르곤 분위기에서 분당 10℃로 1250℃까지 승온한 후, 20분을 유지하고 분당 10℃로 냉각하여 Al이 완전히 함침된 TiB₂/Al복합체를 얻었다. XRD상에는 TiB₂와 Al의 패턴만 나타났으며, 광학현미경에서는 TiB₂와 Al의 두 상만 나타났다. 그러나 표면처리되지 않은 TiB₂분말의 성형체는 1300℃에서도 Al의 함침이 일어나지 않았다.

[실시예 10]

실시예 9과 같은 방법으로 TiC(H.C.Starck) 분말을 1.0wt%의 알루미나 졸로 표면처리하여 얻은 TiC성형체에 Al 디스크를 올려놓고 아르곤 분위기에서 1250℃/20분 열처리하여 Al이 완전히 함침된 TiC/Al복합체를 얻었다. XRD와 광학현미경에서는 TiC와 Al의 두 상만 나타났다. 그러나 알루미나 졸로 표면처리되지 않은 TiC는 1300℃에서도 Al의 함침이 일어나지 않았다.

[실시예 11]

B₄C(H.C.Starck HP grade)와 TiB₂(H.C.Starck)을 2:1의 몰비로 혼합한 슬러리에 1.0wt%에 해당하는 알루미나 졸을 첨가하여 실시예 9과 같은 방법으로 표면처리된 분말을 얻고 이 분말로 직경 20mm의 펠릿(pellet)을 만들어 Al 6061을 올려놓고1250℃에서 20분간 열처리하여 Al이 함침된 B₄C-TiB₂/Al복합체를 제조하였다. XRD상에는 TiB₂패턴과 B₄C/Al서멧(cermet)에서 생기는 패턴이 같이 나타났다. 그러나 알루미나 졸로 표면처리되지 않은 분말의 성형체는 1300℃의 열처리에서도 Al의 함침이 일어나지 않았다. 또한 1:1의 몰비로 B₄C-TiB₂의 혼합분말을 위와 같은 방법으로 처리하였을 때는 Al의 함침이 1300℃의 열처리에서도 일어나지 않았다.

[실시예 12]

SHS 반응으로 생성된 B₄C-Al₂O₃의 혼합분말(325메쉬이하)에 B₄C(실시예 4와 같이 SHS방법으로 제조)분말을 더하여 몰비가 2:1이 되게 한 후, 실시예 11과 같은 방법으로 알루미나 졸 1wt%로 표면처리하여 얻은 분말의 성형체를 제조하였다. 이 성형체에 Al 6061 디스크를 올려놓고 아르곤 분위기에서 1250℃로 20분간 열처리하여 Al이 완전히 함침된 B₄C-Al₂O₃/Al복합체를 얻었다. 그러나 알루미나 졸로 표면처리되지 않은 B₄C-Al₂O₃의 혼합분말의 성형체는 1300℃의 열처리에서도 Al의 함침이 일어나지 않았다. 또한 1:2의 몰비로 B₄C-Al₂O₃의 혼합분말을 위와 같은 방법으로 처리하였을 때는 Al의 함침이 1300℃의 열처리에서도 일어나지 않았다.

본 발명에서는 사용하는 B₄C 분말의 순도 및 입도 분포에 따라 비중이 2.56 ∼ 2.64g/㎤, 4점 굽힘 강도는 350 ∼ 490 MPa, 영율이 237 ∼ 265 GPa, 경도가 74 ∼ 90인 B₄C/Al 복합체를 제조하였다. 이 B₄C/Al 복합체를 아르곤 분위기하에서 후열처리하여 구성성분의 비가 변함에 따라 미세구조도 달라지고 따라서 기계적 물성도 변화하여 4점굽힘강도는 290 ~ 370 MPa 로 변하고, 영률도 266 ~ 300 GPa 로 변화시킬 수 있었다. 이상의 기계적 특성은 알루미나 졸로 표면처리함으로써 B₄C 분말의 웨팅을 향상시키고 따라서 알루미늄 함침을 더욱 용이하게 한 결과이다. 또한 본 발명에 의하여 상기 강도특성 등의 기계적 특성 뿐만아니라 복합체의 미세구조에서도 균일한 구조를 보여 종래 기술보다 매우 우수한 구조재료용 B₄C/Al 복합체를 간단하고 경제적인 공정으로 제공할 수 있게 되었다.

이러한 현상은 반응성 함침이 일어나지 않는 TiB₂, TiC의 경우와 B₄C-TiB₂, B₄C-Al₂O₃와 같은 복합체의 경우에도 적용되어 알루미나로 표면개질된 분말이 표면처리되지 않은 분말에 비하여 보다 균일한 미세구조를 보여준다.

Claims

B₄C, TiB₂, TiC ,B₄C-TiB₂또는B₄C-Al₂O₃중에서 선택된 세라믹 분말에 0.1 ∼ 3wt% 범위의 알루미나 졸로 표면처리하여 알루미늄의 웨팅을 향상시킴으로써 상기 알루미나 졸로 표면처리된 세라믹 분말의 성형체에 35 ~ 50 vol% 범위의 알루미늄을 완전하게 함침시킨 세라믹스-알루미늄 복합체.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 B₄C-TiB₂또는 B₄C-Al₂O₃는 B₄C와 TiB₂및 B₄C와 Al₂O₃의 몰비가 각각 2:1인 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체.
증류수에 분산된 B₄C, TiB₂, TiC ,B₄C-TiB₂또는 B₄C-Al₂O₃중에서 선택된 세라믹 분말에 0.1∼3 wt%의 알루미나 졸을 첨가하여 세라믹 분말 표면을 코팅시키는 단계,

상기 코팅에 의해 표면처리되어 웨팅이 향상된 세라믹 분말을 건조시켜 성형체를 제조하는 단계 및

상기 성형체를 진공 또는 대기압의 불활성가스 분위기에서 35∼50 vol%의 알루미늄 합금을 온도 1000℃∼1250℃ 에서 1분∼20분 동안 함침시키는 단계

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 성형체를 알루미늄 합금으로 함침시키기 전에, 상기 성형체를 1200℃ 이상의 고온으로 진공 또는 불활성 분위기에서 미리 열처리 하는 단계를 추가시키는 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 알루미늄을 함침시킨 후, 후열처리에 의해 복합체의 물성을 변화시키는 단계를 추가시키는 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법.
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제 4 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공은 10^-1torr 이하의 진공도를 유지하는 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법.
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제 6 항에 있어서, 상기 후열처리의 온도는 700℃ ∼ 1000℃의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 세라믹스-알루미늄 복합체 제조방법.