KR970009988B1 - 고 내식성 α-사이알론질 소결체 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용없음.
Description
[발명의 명칭]
고 내식성 α-사이알론질 소결체 및 그의 제조방법
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 고 내식성 α-사이알론질 소결체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
[배경기술]
고온 구조 재료로서 유용한 세라믹스인 질화 규소는 난 소결성이며, 종래, Y2O3, Al2O3결조제로서 사용하여 소결체를 제조하는 것이 일반적이다. 이것들의 소결조제를 사용함으로써 상압소결에서의 치밀화가 달성되고, 복잡형상 부품에의 적용이 가능하게 되고 있다. 또, 본 발명자들은 α-사이알론질 소결체에 관한여 일본국 특개소 60-260471호 공보, 특개소 60-260472호 공보 및 특개소 61-91065호 공보에 상압 소결법에 의해 기계적 특성이 뛰어난 소결체가 얻어지는 것을 개시하였다.
그러나 이와같은 질화규소계 소결체에는 통상, 산화물계 조제가 합계로 10 중량% 정도 함유되어 있으며, 소결체중에 입계상으로서 잔류하는 일이 많다. α-사이알론질 소결체에 있어서도 고용원소의 일부는 입계에 잔류한다고 하는 동일한 현상을 생각할 수 있다. 소결체중의 입계상의 존재는 질화 규소계 세라믹스를 고온 부재로서 사용할 경우 고온 강도나 내식성의 저하를 초래하는 원인이 하나로 되어 있으며, 그 해결을 위하여 조제의 검토 및 입계상의 결정화처리 등의 연구가 활발히 실시되고 있다.
예를 들면, W. Braue 등은 문헌 「Proc. of International Symposium on Ceramics Components for Engine, 1986 FRG, 503항∼510항」에 Y2O3, Al2O3을소결조제로하는 질화규소의 입계 결정화에 의한 고온 강도 특성의 향상을 보고하고 있다.
α-사이알론은 α-Si3N4결정 구조의 Al이 N위치에 O가 치환고용하는 동시에 결정격자 사이에 Li, Mg, Y등의 금속원소가 침입 고용한 구조의 물질이며, 고온에서 안정하다고 하는 특징을 갖고 있다. 침입 고용하는 금속원소는 통상 산화물의 형태로 첨가되나, 이들 산화물의 일부는 고용되지 않고 입계상으로서 잔류되고 있다. 출발원료인 질화규소중에는 표면산화 등에 불순물로서의 SiO2가 수 %함유되어 있으나 이와 같은 SiO2는 α-사이알론의 고용원소인 Y2O3등과 반응하여 입계상으로 잔류하는 일이 많고, 이것들의 입계상의 존재는 고온 특성의 저하나 내식성의 저하를 초래하는 요인으로 된다는 것이 알려져 있다.
현재까지 이 입계상의 양의 저감화나 결정화 처리등 특성 향상을 위한 연구가 행해지고 있으나, 본 발명저자들의 예의 연구의 결과 결정화 처리 등은 고온 강도 특성의 개선에는 유효하지만, 1200℃이상의 온도에서 장시간 산화를 하면 발표가 생기거나 표면에 균열이 발생하는 등 특히 내식성에 문제가 있다는 것을 알았다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여 강도, 인성 등의 기계적 특성 뿐만 아니라, 내산화성이나 내약 품성등의 내식성이 요구되는 환경하에서의 사용에도 견딜 수 있는 고 내식성의 α-사이알론질 소결체 및 그의 제조법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 예의 연구를 거듭한 결과 금번 α-사이알론에 고용할 수 없는 Sc2O3과 질화규소, 질화알루미늄, 금속원소 M의 산화물(여기서, M은 Yb, Er 또는 Dy를 나타낸다)로 이루어지는 α-사이알론 조성물을 혼합, 성형한 후, 비산화성 분위기 중에서 1600∼2000℃의 범위내의 온도에서 소결하여 얻어진 소결체, 및 필요에 따라 이 소결체를 다시 열처리한 소결체는 기계적 특성 뿐만 아니라 내식성에도 우수하다는 것을 발견하였다.
[발명의 개시]
본 발명은 조성식 : Mx(Si, Al)12(O, N)16, 여기서, M은 Yb, Er 또는 Dy로 이루어지는 군으로 부터 선택되는 적어도 1종의 α-사이알론 고용원소이며, 그리고 0x≤8이다.)로 표시되는 α-사이알론 조성물과 소결체의 중량에 의거하여 0.01∼15 중량%의 이 α-사이알론에 고용할 수 없는 Sc2O3로 부터 실질적으로 되고, 그의 입계상으로서 Sc2O3의 몰비가 1 : 0.1∼1 : 50의 범위내에 있는 Sc2O3-SiO2복합체를 함유하는 것을 특징으로 하는 고 내식성 α-사이알론질 소결체를 제공하는 것이다.
본 명세서에서 사용하는 「α-사이알론 조성물」이란 말은 α-사이알론 결정상단상만으로 이루어진 것 뿐만 아니라, α-사이알론 결정상과 β-질화 규소결정상의 복합조직으로 된 것 까지도 포함하는 의미에서 사용하는 것이며, 이것들의 결정상 내지 복합조직은 원료 혼합물을 소결하므로써 형성되는 것이어도 좋고, 혹은 소결전의 원료 혼합물의 단계에서 이미 상기 결정상 내지 복합조직을 형성하고 있어도 좋다.
그런데 질화규소나 질화 알루미늄 원료중에는 통상 불가피한 음이온 불순물로서의 산소가 함유되어 있다. 본 명세서에서 기술되고 있는 β-질화 규소결정상은, β-SIALON을 생성할 목적으로 고의로 Al2O3나 SiO2를 첨가하는 경우를 제외하고, 이와 같은 불가피한 음이온 불순물의 고용한 결정상까지도 포함하는 것이다.
본 발명의 α-사이알론 소결체의 일부를 구성하는 α-사이알론 조성물은, 조성식
Mx(Si, Al)12(O, N)16
로 표시되는 것이다.
식중, M은 α-사이알론 중에 침입 고용하는 금속원자이며, 본 발명에서는 Yb, Er 및 Dy로 이루어지는 군으로 부터 선택되는 원소가 사용된다. 이것들의 고용원소 중 본 발명에 있어서 특히 호적한 것은 Yb이다. 이것들의 금속원소는 α-Si3N4중에 고용하고 α-사이알론을 안정화시키는 동시에, 이하에서 기술하는 비고용 성분인 Sc2O3과 반응하고 Sc2O3을 함유하는 제 2의 상을 형성한다. 여기서 「제2의 상」인 말은 본 발명의 사이알론질 소결체의 상기 사이알론 조성물 이외의 상을 총칭 하기 위하여 사용하는 것이다.
또 상기 식중에서의 x의 값은 금속원소 M의 고용량을 나타내는 것이며, 0x0.3의 범위내에 있는 경우에는, 상기 조성식으로 표시되는 α-사이알론 조성물은 α-사이알론 결정상과 β-질화 규소결정상의 복합조직으로 이루어지고, 또 x의 값의 0.3x0.8의 범위내에 있는 경우에는 이 α-사이알론 조성물은 α-사이알론 결정상의 단상으로 된다. 즉, α-사이알론의 안정영역이 0.3x0.8의 범위내에 있고, x=0.3은 α-사이알론의 고용하한치에 상당하고, 그리고 x0.3의 영역에서는 안정화된 α-사이알론(x=0.3) 결정상과 β-질한 규소결정상의 혼합물로 된다.
금번 본 발명에 있어서, α-사이알론 조성물을 이 α-사이알론 조성물과 고용할 수 없는 특정량의 Sc2O3과 함께 소결하면 얻어지는 소결체의 내식성이 각별히 향상한다는 것이 판명되었다. α-사이알론 조성물과 함께 본 발명의 소결체를 구성하는 Sc2O3의 함유량은 소결체의 중량에 의거하여 0.01∼15 중량%, 바람직하게 0.01∼10 중량%, 더욱 바람직하게는 0.05∼5 중량%의 범위내이다. Sc2O3의 함유량이 0.01 중량% 미만에서는 Sc2O3첨가의 효과가 약하고 또 15 중량%를 초과하면, 열간강도의 저하나 내산화 특성이 떨어지게 된다.
α-사이알론 조성물의 제조원료의 하나인 질화 규소는 통상, 표면 산화 등에 의해 불가피적으로 불순물로서 SiO2를 수 %정도 함유하고 있으나, 이 SiO2는 통상 α-사이알론의 고용원소의 공급원으로 되는 Yb2O3Er2O3및/또는 Dy2O3와 반응하여 입계상에 잔류하고 있다.
한편, 본 발명에 따라
α-사이알론 조성물에 이 α-사이알론 조성물에 고용(固容)할 수 없는 Sc2O3을 첨가하여 소결하면, Sc2O3은 소결조제의 역할을 수행하고, 얻어지는 소결체의 치밀화를 촉진하는데 공헌할 뿐 아니라, 첨가된 Sc2O3의 일부는 상기 입계상에 잔류하고 있는 Sc2O3와 반응하여, 입계상에Sc2O3-SiO2복합체가 생성된다. 본 발명의 소결체에 있어서의 높은 내식성은 이와 같은 Sc2O3-SiO2복합체로 이루어지는 입계상 조직의 형성에 의해 생기는 것이라고 생각된다.
Sc2O3-SiO2계에 관해서는 그의 상평형도에 액상 형성온도는 1660℃ 이상과 고융점이지만 얻어지는 소결체의 내식성 뿐만 아니라 고온 특성을 향상시키는데는 이와 같은 고융점의 입계상을 형성시킬 필요가 있다.
입계상을 형성하는 Sc2O3-SiO2복합체에 있어서의 Sc2O3의 대 SiO2의 비율은 몰비로 일반적으로 1 : 0.1∼1 : 50의 범위내에 있을 수가 있다. 이 몰비가 1 : 0.1 미만에서는 얻어지는 소결체의 열간강도가 작고, 또 1 : 50을 초과하면 Sc2O3의 첨가의 효과가 약해지고 소결체의 치밀화도 불충분하게 된다. 따라서 Sc2O3의 대 SiO2의 몰비는 1 : 0.2∼1 : 50, 특히 1 : 0.4∼1 : 40의 범위내에 있는 것이 적합하다. 그리고 입계상중의 Sc2O3및 SiO2의 양은 분석 전자현미경에 의해 결정할 수가 있다. 또 입계상중의 Sc2O3및 SiO2의 복합체의 Sc2O3대 SiO2의 몰비의 조절은 예컨대 Sc2O3첨가량을 조절하는 일이나, 질화규소원료 중의 산소량을 콘트롤 함으로써수행할 수가 있다.
본 발명에 의해 제공되는 α-사이알론 소결체는 예컨대 다음과 같이 해서 제조할 수가 있다.
먼저, 상기 조성식으로 표시되는 α-사이알론 조성물을 생성하는 소정비율의 질화규소, 질화알루미늄 및 Yb2O3Er2O3및 Dy2O3로 부터 선택되는 적어도 1종의 산화물 및 소정량의 이 α-사이알론 조성물에 고용하지 않는 Sc2O3을 혼합한다. 여기서 Yb2O3Er2O3,Dy2O3및 Sc2O3으로서는 소성 조건하에 이것들의 산화물로 변화될 수 있는 전구 화합물을 사용하는 것도 가능하다. 혼합은 볼밀, 진동밀 등을 사용하여 수행할 수 있으나 이 경우 원료 분말의 산화를 방지하기 위하여 유기용매중에서 실시하는 것이 바람직하고 또 분쇄 볼등으로 부터의 Al2O3혼입을 피하기 위하여 α-사이알론제의 볼, 용기나 수지제용기를 사용하는 것이 바람직하다. 얻어지는 혼합물은 스프레이 드라이어 등을 사용하여 조립, 건조를 하여 성형용 원료로 한다.
성형 방법으로서는 예컨대 금형성형, 정수압 프레스성형, 사출성형 등을 사용할 수가 있다. 얻어지는 성형체는 통상 바인더 등 유기분을 함유하기 때문에 소결전에 탈지처리를 한다. 이어서 이 성형체를 비산화성 분위기중에서 1600∼2000℃의 범위내의 온도에서 소결하지만 소결온도로서는 바람직하게 1600∼1800℃의 범위내이며, 소결시간은 통상 30분∼10시간이다. 소결은 상압소결에 의해서 충분히 치밀한 소결체를 얻을 수가 있으나, 필요에 따라 HIP, 가스압소결, 가열프레스를 사용하여도 좋다.
이렇게 해서 얻어지는 본 발명의 α-사이알론 소결체는 내산화성이나 내약품 등이 내식성이 매우 우수하다. 본 발명의 소결체의 이 높은 내식성은 α-사이알론 침입고용하는 금속원소로서, Yb, Er 및/또는 Dy를 사용한 경우에 달성된다. 이것은 예컨대 산화시험을 한 경우, 본 발명의 소결체는 산화시험후 표면에 치밀하고 매끄러운 산화막을 형성하고, Sc2O3의 첨가의 효과가 더불어 우수한 내식성을 나타내지만, 상기 이외의 고용원소를 사용하여 형성된 소결체는 일반적으로 시료 표면에 발포 등의 현상이 생기고 내식성이 떨어지게 된다.
본 발명의 α-사이알론 소결체는 기계적 특성, 예컨대 벤딩강도, 인성 등이 우수하고, 벤딩강도에 관해서 보면 1200MPa(JIS R1601, 3점 벤딩)을 초과하는 것이 얻어지고 있다. 내식성 등의 화학적 안정성 뿐만 아니라 기계적 특성에도 우수하다는 것이 본 발명의 α-사이알론 소결체의 하나의 특징이다.
또 발명의 소결체에 의하면 Sc2O3의 첨가량에 의존하여 소결체중의 α-사이알론 함유량이 변화하는 것이 명백하게 되었다. 예를 들면 Sc2O3의 첨가량이 증가하면 α-사이알론의 고용성분인 Yb2O3Er2O3,또는 Dy2O3과 반응하여 복합체를 생성하기 위해서라고 생각되나, 이것은 Sc2O3의 첨가량에 의해 소결체중의 α-사이알론 결정상의 양이 콘트롤 할 수 있다는 것을 나타내고 있는 것이며, 그것에 의해 소결체의 특성제어가 가능하게 된다.
α-사이알론은 금속원소 M의 고용량 x에 대응하여 α-사이알론 결정상과 β-질화 규소결정상의 양비가 변화하고, 그것에 수반하여 경도, 인성, 강도 기계적 특성이 변화하지만, 또 Sc2O3의 첨가에 의해서도 동일한 제어가 가능하게 된다. α-사이알론 조성물은 x≤0.3의 저고용 영역에서 특히 강도, 인성 등의 기계적 특성이 우수하다는 특성을 가지고 있으나, 이 조성역역이 것은 일반적으로 난소결성이다. 그러나 본 발명의 소결체는 Sc2O3이 소결과정에서 소결조제의 역할을 함으로써, 또한 기계적 특성에도 뛰어난 α-사이알론 질 소결체가 용이하게 얻어진다고 하는 이점이 있다.
[실시예]
다음에 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
질화규소(평균 입경 : 1㎛, 양이온 불순물 함유량 : 0.2%이하, 산소함유량 : 0.8%), 질화 알루미늄(평균 입경 : 1㎛, 양이온 불순물 함유량 : 0.2%이하, 산호함유량 : 1.0%), Yb2O3 ,Er2O3,또는 Dy2O3(모두 평균 입경 : 1.2㎛, 순도 : 99.9%), Sc2O3(평균 입경 : 1.0㎛, 순도 : 99.9%)의 각원료를 하기 표-1에 표시한 조성비로 배합하여 혼련을 하였다. 혼련은 수지성 포트와 α-사이알론제 볼을 사용하여 볼밀로 에탄올 중 30시간 처리하여 실시하였다. 얻어진 혼합물을 건조시킨 후, 냉간 정수압 프레스로 1.5t/㎠의 압력으로 성형하고, 얻어진 성형체를 질소 분위기중 1700℃에서 5시간 소성하여 소결체를 얻었다. 얻어진 소결체에 관하여 평면연삭에 의해 3×4×40㎜의 시험편을 제작하여, 산화특성 평가의 시험을 실시하였다. 산화시험은 대기중 1400℃에서 10시간 유지하여 실시하고, 시험후의 산화중량치 및 외관으로 평가하였다.
입계상중의 Sc, Si등의 분석은 분석전자 현미경을 사용하여 실시하였다. 결과는 표-1에 표시하였다. No. 1∼No. 7의 배합은 본 발명품이며, No. 8∼No. 10은 비교예이다.
표-1의 결과로부터, 본 발명의 α-사이알론질 소결체의 산화중량치는 1.0㎎t/㎠이하로 우수한 것이며, 산화 시험후의 시료도 발포 등을 볼 수 없고, 매끄러운 산화막으로 덮혀있는 것을 알 수 있다. 한편 고용원소로서 Y를 사용한 것, 혹은 Sc2O3를 과잉으로 첨가한 비교예에서는 산화중량치가 크게되어 있다.
[실시예 2]
질화 규소(평균 입경 : 0.8㎛, 양이온 불순물 함유량 : 0.2%이하, 산호함유량 : 1.2%), 질화 알루미늄(평균 입경 : 1.0㎛, 양이온 불순물 함유량 : 0.2%이하, 산호함유량 : 1.0%), YbOErO또는 DyO(모두 평균 입경 : 1.2㎛, 순도 : 99.9%), ScO(평균 입경 : 1.0㎛, 순도 : 99.9%)의 각원료를 하기 실시예 1과 동일조성비로 배합하여 혼련을 하였다.
혼련은 수지성 포트와 α-사이알론제 볼을 사용하여 진동밀로 에탄올 중 20시간 처리하여 실시하였다. 혼합물은 스프레이-드라이어를 사용하여 건조시킨 후 냉간정수압 프레스로 1.5t/㎠의 압력으로 성형하고, 얻어진 성형체를 질소 분위기중 9.8㎏f/㎠의 압력하 1750℃에서 3시간 가열하여 소결을 하였다.
얻어진 소결체로부터 3×4×40㎜의 시험편을 제작하여 벤딩 강도(상온 및 1250℃)의 평가 및 산화시험을 실시하였다.
벤딩 시험은 스팬 30㎜의 3점 벤딩으로 실시하고, 산화시험은 실시예 1과 동일조건으로 실시하였다. 결과를 표-2에 표시하였다. 표-2의 결과로부터 본 , α-사이알론질 소결체는 열간에서의 강도의 저하가 적고 고온 특성이 우수한 것이라는 것을 알 수 있다. 한편 비교예에 표시한 바와 같이 고용원소로서 Y를 사용한 것은 산화 중량이 많고 또 ScO를 과잉으로 첨가한 경우, 열간에서의 강도저하가 현저하다.
[산업상의 이용 가능성]
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 α-사이알론질 소결체는 우수한 내식성, 고온특성, 기계적 강도 등을 갖고 있으며, 예컨대 밸브부품, 엔진부재, 공작기계부품, 절삭공구 등에 있어서 유용하다.
Claims (6)
- 조성식 : Mx(Si, Al)12(O, N)16, (여기서, M은 Yb, Er 또는 Dy로 이루어지는 군으로 부터 선택되는 적어도 1종의 α-사이알론 고용원소이며, 그리고 0x≤0.8이다.)로 표시되는 α-사이알론 조성물과 소결체의 중량에 의거하여 0.01∼15 중량%의 이 α-사이알론에 조성물에 고용할 수 없는 Sc2O3으로실질적으로 이루어 지고, 그의 입계상으로서 Sc2O3대 SiO2의 몰비가 1 : 0.1∼1 : 50의 범위내에 있는 Sc2O3-SiO2복합체를 함유는 것을 특징으로 하는 고 내식성 α-사이알론질 소결체.
- 제1항에 있어서, 고용원소 M이 Yb인 소결체.
- 제1항에 있어서, x의 값이 0.1x≤0.4의 범위내에 있는 소결체.
- 제1항에 있어서, Sc2O3을 소결체의 중량에 의거하여 0.05∼5.0중량% 범위내에 있는 소결체.
- 제1항에 있어서, Sc2O3-SiO2복합체에 있어서의 Sc2O3대 SiO2의 몰비가 1 : 0.4∼1 : 40의 범위내에 있는 소결체.
- 청구의 범위 제1항 기재의 조성식으로 표시되는 조성식으로 표시되는 α-사이알론 조성물을 생성하는 소정비율의 질화규소, 질화알루미늄 및 Tb2O31Er2O|3및 Dy2O3로 부터 선택되는 적어도 1종의 산화물 및 소결체의 중량에 의거하여 0.01∼15 중량%의 Sc2O3으로 이루어지는 혼합물을 비산화성 분위기중에서 1600℃∼2000℃의 범위내의 온도에서 소결하는 것을 특징으로 하는 청구의 범위 제1항 기재의 고 내식성 α-사이알론질 소결체에 제조방법.
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