KR100503352B1 - 치밀한 탄화규소계 세라믹스의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열성, 고온강도 및 내마모성 등이 우수하여 절삭공구를 비롯한 각종 내열기계부품재료로서 사용되는 탄화규소(silicon carbide: SiC)계 세라믹스의 제조방법에 관한 것으로, 이 제조 방법은 탄화규소 분말에 액상소결조제를 첨가하여 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 진공분위기 하에서 1750 내지 1850℃의 온도범위까지 승온하여 1차 소결하고, 불활성 분위기 하에서 1800 내지 1950℃의 온도로 유지하여 2차 소결한 후 냉각하는 공정으로 이루어진다.

Description

치밀한 탄화규소계 세라믹스의 제조방법{A METHOD FOR PREPARING DENSE SILICON CARBIDE CERAMICS}

발명의 분야

본 발명은 치밀한 탄화규소계 세라믹스의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내열성, 고온강도 및 내마모성 등이 우수하여 절삭공구를 비롯한 각종 내열기계부품재료로서 사용되는 탄화규소(silicon carbide: SiC)계 세라믹스의 제조방법에 관한 것이다.

종래 기술

탄화규소 분말은 그 강한 공유결합성으로 인하여 소결조제의 첨가 없이는 가압소결법으로도 거의 치밀화가 일어나지 않는다. 이에 따라 종래의 탄화규소계 세라믹스의 제조방법으로는 보론(B), 카본(C) 등의 고상소결조제를 첨가하거나(USP 3,853,566호 및 USP 4,108,929호 등) 또는 이트리아(Y₂O₃)와 알루미나(Al₂ O₃) 등의 액상소결조제를 첨가한 뒤(대한민국 특허 40,700호 및 45,488호 등), 가압소결(hot pressing) 또는 불활성기체 분위기에서의 상압소결(pressure-less sintering)을 행하는 방법이 알려져 있다.

그러나 상술한 것과 같은 탄화규소계 세라믹스의 제조방법들은 그 각각의 문제점들을 안고 있는데, 먼저 고상소결의 경우는 그 소결온도가 통상 2000 내지 2150℃ 정도로 높아 경제성이 떨어지며 소결 후 소결체의 물성(강도와 파괴인성)도 액상소결에 비하여 상대적으로 낮기 때문에 근래에는 많이 사용되지 않고 있다. 이에 따라 근래에는 이트리아(Y₂O₃)와 알루미나(Al₂O₃) 등의 액상소결조제를 이용하여 가압소결 또는 불활성기체 분위기에서의 상압소결을 행하는 방법이 많이 사용되고 있다.

그러나 이 방법들에서도 문제점은 남아 있는데, 먼저 불활성 기체(Ar 등)분위기 하에서 행하는 상압소결의 경우는 산화 방지를 위하여 사용한 불활성 기체들이 소결 도중 소결체의 기공 내부에 포획되어 소결을 방해하는 현상(entrapped gas effect; 논문 Metall. Trans. A, 17A, 2175-82(1986) 참조) 때문에 근원적으로 매우 치밀한 소결체를 얻기가 힘들다는 문제점이 있다. 이에 따라 소결밀도 99% 이상의 치밀한 소결체를 제작하기 위한 방법으로서 가압소결의 방법이 개발되어 있으나 이 방법의 경우는 가압소결 장치가 고가임으로 인하여 경제성이 떨어진다는 단점 외에도 고온가압에 필요한 금형 제작상의 한계로 인하여 제조할 수 있는 소결체의 형상에 제한을 받게 되며 따라서 가압소결후 소결체의 이차 가공을 필요로 하기 때문에 더욱 경제성이 낮아져서 실용화에는 제약을 받게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 내열성, 고온강도 및 내마모성이 우수한 탄화규소계 세라믹스의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고가의 가압소결(Hot Press) 장치를 사용하지 않고서도 치밀한 탄화규소계 세라믹스를 제조할 수 있으므로 제조 원가의 절감에 따른 경제성과 실용성이 우수한 탄화규소계 세라믹스의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 미립의 탄화규소 분말에 액상소결조제를 첨가하여 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 진공분위기 하에서 1750 내지 1850℃의 온도범위까지 승온하여 1차 소결하고, 불활성 분위기 하에서 1800 내지 1950℃의 온도로 유지하여 2차 소결한 후 냉각하는 공정으로 이루어지는 치밀한 탄화규소계 세라믹스의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 탄화규소계 세라믹스의 제조방법은 미세한 미립의 탄화규소 분말 및 액상소결조제를 첨가하여 혼합한 뒤 성형과 소결의 과정을 거쳐 제조된다. 미립의 탄화규소 분말의 입자크기는 0.3 내지 5 μm 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 액상소결조제로는 이트리아(Y₂O₃), 알루미나(Al₂O₃), 및 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 액상소결조제는 약 5 내지 30 중량%의 양으로 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 탄화규소 분말에 유기결합제(binder)를 더 함유시킬 수 있다. 상기 유기결합제는 성형조제로서 통상의 세라믹스 성형공정에 사용되는 유기결합제가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 폴리비닐알코올, 폴리비닐부티랄 등이 사용될 수 있다. 유기결합제의 첨가량 또한 통상의 세라믹스 성형공정에 따라 용이하게 결정될 수 있다.

탄화규소 분말, 액상소결조제 및 선택적으로 유기결합제 혼합물을 최종형상에 가깝게 성형하거나 또는 단순형상으로 성형한 뒤 성형체를 기계가공하여 최종형상에 가까운모양(near-net shape)으로 만든다. 이후, 상기의 성형체들을 분위기조절이 가능한 로에 장입한 뒤 진공분위기 하에서 대략 1750 내지 1850℃ 까지 승온한다. 이때 승온 도중 유기결합제들은 대략 600℃ 근처에서 열분해되어 제거되며, 소결조제로 첨가된 이트리아와 알루미나가 1750 내지 1850℃ 근처에서 녹아서 공융액상을 형성하며 초기 단계의 치밀화가 진행되게 된다. 즉 본 발명에서는 2단계 분위기 조절방법으로 소결하는 공정을 실시한다.

로의 온도가 1750 내지 1850℃에 도달한 뒤에는 곧바로 로의 분위기를 진공에서 불활성기체분위기(아르곤 등)로 바꾼 뒤 1800 내지 1950℃ 까지 승온하여 1 내지 5시간 정도 유지한 후 냉각함으로써 소결은 완료된다. 소결이 끝난 부품들은 치수 정밀도와 표면정도를 향상시키기 위한 최소한의 연마공정만을 행함으로써 완제품으로 완성되게 된다. 이 때 소결온도를 1800 내지 1950℃로 제한하는 이유는 소결온도가 1800℃ 이하로 되면 치밀한 소결체를 얻기가 힘들며, 1950℃ 이상으로 과도하게 높을 때는 소결체의 입성장이 과도하게 되어 기계적 물성이 저하되어 바람직하지 않게 되기 때문이다.

상기의 소결법은 난소결성인 미립의 탄화규소 분말을 가지고서 대형의 복잡형상을 갖는 부품을 매우 경제적인 방법으로 치밀한 소결체로 제조할 수 있게 해주는 것이다. 상기의 방법에서 소결분위기를 2단계로 변화시키는 이유는 승온도중 성형체내에서 액상들이 형성되어 치밀화가 시작된 뒤 폐기공이 형성되는 시점까지는 진공으로 유지하고 폐기공이 형성된 직후 불활성 기체분위기로 바꾸어 줌으로써 소결체 내의 기공내부는 진공상태로 그리고 소결체 외부는 등방가압 상태로 만들어 줄 수가 있기 때문이다. 이렇게 하여줌으로써 기공내부와 외부의 압력차이에 의한 소결촉진효과를 얻을 수 있으며 아울러 일반적인 진공소결에서와 같이 고온에서 장시간 진공소결을 행할 때 나타나는 액상의 증발에 의한 소결지연 현상도 방지하게되는 이중적인 효과를 얻을 수 있다.

한편 승온도중 로의 분위기를 바꾸어주는 시점은 성형체 내부의 개기공들이 닫혀서 폐기공들이 형성된 직후의 시점이 되어야 하는바, 이 시점은 성형체의 크기와 액상의 종류와 양 등에 따라 달라지게 되므로 시편의 밀도측정을 통하여 정확한 온도를 산정하여야 하는데 액상소결조제로 이트리아와 알루미나를 사용한 경우는 대략 1750 내지 1850℃의 범위에 있음을 확인하였다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐 본 발명이 하기하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

입자크기가 0.3 내지 5μm 인 탄화규소(SiC) 분말에 소결조제로 이트리아(Y₂O₃)와 알루미나(Al₂O₃)를 각각 6 wt%와 9 wt% 씩 첨가하여 혼합한 다음, 유기결합제로 폴리비닐알코올을 0.5wt% 첨가하여 최종 성형체로 성형하였다. 이후, 상기의 성형체들을 하기 표 1과 같은 소결조건으로 소결한 다음, 얻어진 소결체들의 소결밀도를 측정하고 그 결과를 하기 표1 에 나타내었다.

	소결분위기	소결조건	소결밀도
비교예 1	진공	1850℃ x 2시간	93%
비교예 2	불활성기체	1850℃ x 2시간	97%
비교예 3	1차: 진공 2차: 불활성기체	1차: 상온 내지 1700℃ 2차: 1850℃ x 2시간	96%
비교예 4	1차: 진공 2차: 불활성기체	1차: 상온 내지 1900℃ 2차: 1900℃ x 2시간	95%
실시예 1	1차: 진공 2차: 불활성기체	1차: 상온 내지 1800℃ 2차: 1850℃ x 2시간	99%
실시예 2	1차: 진공 2차: 불활성기체	1차: 상온 내지 1850℃ 2차: 1900℃ x 2시간	99%

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 소결분위기를 전환하지 않은 비교예(1, 2) 및 본 발명의 조건범위를 벗어나서 소결분위기를 2단계로 전환한 비교예(3, 4), 의 경우에는 소결밀도가 97% 이하로 소결체가 치밀하지 못한 반면에, 본 발명의 조건범위내에서 소결분위기를 2단계로 변화시킨 실시예(1, 2)의 경우에는 소결밀도가 99%로 매우 치밀한 소결체가 얻어짐을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조되는 탄화규소계 세라믹스는 고가의 가압소결 장치 등을 사용하지 않고서도 소결밀도 99% 이상의 매우 치밀한 소결체를 얻을 수 있기 때문에 경제성과 실용성이 현저히 향상된 제조방법을 제공하는 것이다. 또한 통상적인 세라믹스에서와 같이 소결밀도의 향상에 따라 내충격성과 내마모성 등의 기계적 특성이 동시에 향상되는 부수적인 효과도 존재하게 된다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (4)

1. 미립의 탄화규소 분말 70 내지 95중량%에, 이트리아(Y₂O₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 액상소결조제 5 내지 30중량%를 첨가하여 성형체를 제조하고;

   상기 성형체를 진공분위기 하에서 1750 내지 1850℃의 온도범위까지 승온하여 1차 소결하고;

   불활성 분위기 하에서 1800 내지 1950℃의 온도로 유지하여 2차 소결한 후 냉각하는 공정으로 이루어지는 탄화규소계 세라믹스의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 미립의 탄화규소 분말은 0.3 내지 5 μm의 입자크기를 가지는 것인 탄화규소계 세라믹스의 제조방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 성형체는 유기결합제를 더 포함하는 탄화규소계 세라믹스의 제조방법.