KR900005512B1 - SiC-Al_2O_3 복합소결체 및 그 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

SiC-Al2O3복합소결체 및 그 제조방법

제1도는 SiC 위스커의 입자구조를 나타내는 사진.

제2도는 본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체의 입자구조를 나타내는 사진.

제3도는 본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체, 실시예 No.1의 온도에 대한 강도의 변화를 나타낸 도면이다.

본 발명은 SiC-Al₂O₃복합소결체 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히 고강도, 고인성구조 재료로써 매우 적합한 SiC-Al₂O₃복합소결체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Al₂O₃는 집적회로의 기판 패키지, 절삭공구용 칩, 내화 재료로써 널리 이용되고 있다.

그러나 강도, 인성이 질화규소 소결체에 비해 낮아서 엔진부품의 구조재료로서는 그 이용이 제한되고 있다.

Al₂O₃의 강도증대, 인성강화를 위해 SiC 입자, SiC 위스커를 Al₂O₃중에 분산시키는 방법이 있다.

아메리칸 소사이티, 불리틴 64[2] 298-304(1985)에는 SiC 위스커의 분산에 따른 Al₂O₃소결체의 인성 강화가 기술되어 있다.

특개소 59-3766호 공보, 특개소 61-21964호 공보, 특개소 61-174165호 공보에는 SiC 입자의 분산에 의한 Al₂O₃소결체의 강도증대, 인성강화, 강도증대 및 고온특성 향상에 대해서 기술되어 있다.

그러나 SiC 위스커만을 분산시킨 경우 Al₂O₃의 소결성이 현저히 파괴되므로 치밀화를 위해서는 높은 온도에서, 장시간에 걸쳐 소성을 해야한다.

이때문에 Al₂O₃소결체 중의 Al₂O₃입자가 성장하여 인성은 강화되지만 강도가 저하되는 결점이 있었다.

또한 SiC 입자의 분산의 경우에는 SiC 위스커와 분산 만큼 인성이 강화될 수 없는 결점이 있었다.

본 발명의 목적은 이들 결점을 해결하기 위하여 SiC 위스커를 분산시킨 Al₂O₃소결체 및 SiC 입자가 분산되어 Al₂O₃입자의 성장이 억제됨에 따라 인성이 강화되고 강도가 저하되지 않는 SiC-Al₂O₃복합소결체와 그 제조방법을 제공하려는 것이다.

본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체는 입자지름이 1㎛ 이하인 SiC 입자 2-20몰%, 단경(短徑)이 0.5-5㎛이고 아스펙트 비율이 3 이상인 SiC 위스커 2-20몰%가 분산되어 있고 매트릭스가 입자지름이 5㎛ 이하인 α-Al₂O₃입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체의 제조방법에서는 입자지름이 0.5㎛이하인 SiC 입자를 2-20몰%, 단경이0.5-5㎛이고 아스펙트 비율이 3 이상인 SiC 위스커 2-20몰%를 함유하며, 나머지가 입자지름이 2㎛ 이하인 Al₂O₃분말인 조합분말을 형성하여 1400-1800℃로 소결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체를 더 상세히 설명하기로 한다.

SiC 입자 또는 SiC 위스커 α-Al₂O₃입자의 입자계 또는 입자내에 존재한다.

SiC 입자는 2-20몰% 함유하는 것이 좋으며 2몰% 미만이면 소결과정에서 Al₂O₃입자의 입자지름등의 미세구조를 제어할 수 없으므로 Al₂O₃입자의 입자지름이 크게 성장하여 소결체 강도가 저하된다.

SiC 입자가 20몰%를 넘으면 소결과정에서 Al₂O₃의 치밀화를 저해하여,치밀한 소결체를 얻을 수 없게 된다. 바람직하게는 5-10몰%가 좋다.

SiC 위스커는 2-20몰% 함유하는 것이 바람직하며 2몰% 미만이면 클랙이 진전하는 소결체 중에 충분히 SiC 위스커가 분산되지 않아서 인성강화 효과가 없으며, 20몰%를 넘으면 Al₂O₃의 치밀화를 저해하여 치밀한 소결체를 얻을 수 없다. 바람직하게는 5-15몰%가 좋다.

α-Al₂O₃입자, SiC 입자의 입자지름 및 SiC 위스커의 단경, 아스펙트(aspect) 비율은 SiC-Al₂O₃복합소결체의 파면, 연마면, 연마 에칭면의 미세구조를 관찰함으로써 구할 수 있다.

SiC 입자의 입자지름은 1㎛ 이하가 좋으며 1㎛를 넘는 경우 SiC 입자가 원료에서 큰 경우에는 Al₂O₃의 치밀화를 저해하여 치밀한 소결체를 얻을 수 없게 되며 SiC 입자가 소결과정에서 크게 성장하는 경우에는 Al₂O₃입자도 소결과정에서 성장하여 소결체의 강도가 저하된다.

SiC 위스커는 단면 지름이 0.5-5㎛이고 아스펙트 비율이 3 이상인 것이 좋으며, 단경이 0.5㎛ 미만이면 소결체가 파괴될때 위스커가 클랙진전을 저해하지 않고 인성이 강화되지 않으며, 5㎛를 초과하면 Al₂O₃의 치밀화를 저해하여 치밀한 소결체를 얻을 수 없게 되어 스스로 파괴되는 원인이 되어 소결체의 강도가 저하된다.

아스펙트 비율이 3 미만이면 소결체가 파괴될때 위스커가 클랙진전을 저해하지 않고 인성이 강화되지 않는다.

보다 바람직하게는 단경이 1-5㎛이고 아스펙트 비율이 3 이상인 것이 좋다.

본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체는 SiC 위스커에의한 파괴시의 클랙진전을 저해하는 작용과, 소결과정의 SiC 입자의 존재에 의한 미세구조 제어작용에 의해, 강도가 저하되지 않으므로 인성이 증대되는 것이다.

본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

원료인 Al₂O₃분말의 입자지름은 비표면적에 상당하는 지름이 2㎛ 이하인 것이 좋으며, 2㎛을 초과하면 소결성이 나빠 치밀화 되기 어려우며 높은 온도에서 치밀화 시킬 경우 소결체의 Al₂O₃입자가 성장하여 소결체의 강도가 저하된다.

비표면적에 상당하는 지름이 0.5㎛ 이하인 것이 바람직하다.

원료인 Al₂O₃분말은 소성후 α-Al₂O₃가 되면, γ-Al₂O₃등이라도 좋다.

Al₂O₃의 분말순도는 높은쪽이 바람직하며 불순물은 특히 고온특성을 저하시킨다.

바람직하게는 순도 99% 이상의 Al₂O₃분말이 좋다.

SiC 입자의 입자지름은 비표면적에 상당하는 지름이 0.5㎛ 이하인 것이 좋다.

0.5㎛을 초과하면 SiC 입자가 Al₂O₃입자중에 충분히 분산되지 않고 소결과정에서 Al₂O₃입자의 입자지름등의 미세한 구조를 제어할 수 없게 되어 소결체 강도가 저하된다.

비표면적에 상당하는 지름이 0.2㎛ 이하가 바람직하다. SiC 입자는 α형 또는 β형 모두 좋다. SiC 위스커의 단경, 아스펙트 비율은 주사형 전자현미경관찰로 측정하는 것으로 단경이 0.5-5㎛, 아스펙트 비율이 3 이상인 것이 좋다.

SiC 위스커는 소결과정에서 성장하기 어렵다. 바람직하게는 단경이 1-5㎛, 아스펙트 비율이 3 이상인 것이 좋다.

SiC 입자 또는 SiC 위스커의 순도는 높은쪽이 좋고 불순물은 특히 고온특성을 저하시킨다. 바람직하게는 금속 불순물이 1% 이하, 산소가 1% 이하인 SiC 입자가 좋다.

SiC 입자 또는 SiC 위스커에 불가피하게 혼입되는 SiO₂등이 α-Al₂O₃입자의 입계에 이상을 일으키는 경우도 있다. Al₂O₃분말, SiC 입자, SiC 위스커를 혼합하여 성형용의 조합 분말을 얻는다.

혼합은 볼밀등에 의해 습식 또는 건식으로 한다. 혼합 과정중에 SiC 입자, SiC 위스커의 산화 및 SiC 위스커의 파손이 따르므로 혼합 방법은 조합 분말 상태를 관찰하면서 결정할 필요가 있다.

처음에 Al₂O₃분말과 SiC 입자를 충분히 혼합한뒤, 거의 완전히 분쇄된 조건에서 SiC 위스커를 혼합할 수 있다. 이렇게 얻어진 조합분말은 건식 프레스 및 사출성형등에 의해 원하는 형태로 성형된다.

성형시에 SiC 위스커를 배향시켜 형상 특유의 이방성(異方性)을 부가 시킬 수 있다.

Al₂O₃분말, SiC 입자, SiC 위스커로 이루어진 조합 분말의 성형체는 상압소결, 핫프레스, 열간정수압 가압소결(HIP)에 의해 치밀화 한다.

이때 얻어진 소결체의 SiC 입자가 입자지름 1㎛ 이하, SiC 위스커가 단경 0.5-5㎛, 아스펙트 비율 3 이상, α-Al₂O₃입자가 입자지름 5㎛ 이하가 되도록 소성조건을 설정할 필요가 있다.

이를 위해 소성온도는 1400-1800℃가 좋다. 1400℃ 이하이면 충분히 치밀화 되지 않으며 1800℃를 초과하면 Al₂O₃입자, SiC 입자의 성장, Al₂O₃와 SiC와의 반응이 일어나, 본 발명의 SiC 입자, SiC 위스커가 분산되어 매트릭스가 구성되는 SiC-Al₂O₃복합소결체를 얻을 수 없다.

소성 분위기는 SiC 입자, SiC 위스커의 산화를 방지하기 위해 질소, 아르곤등의 불활성 분위기 또는 수소등의 환원 분위기가 좋다.

핫프레스를 위해 SiC 위스커를 배향시키고 소결체에 이방성을 부가할 수 있다.

열간정수압 가압소결에서는 사전에 상압소결, 핫프레스로 개기공이 작은 예비 소결체를 제조하여 열간정수 가압소결 하는 방법, 성형체에 금속, 유리등으로 기밀하게 시일처리하여 열간정수압 가압소결하는 방법이 가능하다.

[실시예]

평균 입자지름 0.2㎛, 순도 99.9%의 α-Al₂O₃분말, 평균입자지름 0.2㎛, 순도 99%의 β-SiC 입자 단경 0.1-2㎛, 아스펙트 비율 5 이상, 순도 97% 이상의 SiC 위스커를 표 1에 기재된 조합비율로 조합하고, 폴리에틸렌 피복철 보올과 폴리에틸렌 용기를 사용하고, 10시간 동안 아세톤으로 습식 혼합하였다.

SiC 위스커의 주사형 전자현미경 사진을 제1도에 표시한다.

얻어진 조합 분말을 직경 50㎜, 두께 10㎜로 예비성형하여 압력 20㎫로 정수압 프레스하였다.

얻어진 성형체를 표 1에서 기재된 온도로 압력 30㎫로 핫프레스하여 본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체의 실시예 No.1-5를 얻었다.

또한 같은 방법으로 본 발명의 조성 한정 범위와의 표 1에 기재한 조합 비율의 조합을 성형 핫프레스 하여 비교예 No.6-9를 얻었다.

얻어진 소결체는 모두 기공율 1% 이하로 치밀한 것이었다.

실시예 No.1-5 및 비교예 No.6-9에 대하여 화학분석, X선 회절에 의한 결정 정량의 결과, 소결체의 조성은 조합 조성과 일치하였다.

실시예 No.1 연마면 광학 현미경 사진을 제2도에 나타내었다.

흰색 부분이 SiC 입자 또는 SiC 위스커이며, 회색 부분이 Al₂O₃매트릭스이다.

실시예 No.1-5와 비교예 No.6-9에 관한 광학현미경, 주사형 전자현미경 관찰에 의해 측정한 Al₂O₃입자, SiC 입자의 입경을 표 1에 기재하였다.

SiC위스커의 단경, 아스펙트 비율은 원료가 변하지 않았다.

더 나아가 실시예 No.1-5와 비교예 No.6-9에 대해서 JIS-R1601에 의해 실온에서 3점 휨강도를 측정하여 압입 파쇄시험에 의해 파괴 인성값 K_IC를 측정하여 표 1에 기재하였다.

또한 실시예 No.1에 대해 실온에서 1400℃까지의 3점 휨강도를 측정하여 온도에 대한 강도, 변화를 제3도에 나타내었다.

[표 1]

이상과 같이 본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체는 3점휨 강도가 980㎫ 이상, 인성이 K_IC=5.3㎫m^0.5이상으로, 본 발명 이외의 비교예에 비하여 고강도, 고인성이며, 또한 1000℃까지의 고온 특성이 우수하다.

이상 설명한 것처럼, 본 발명의 SiC-Al₂O₃복합소결체는 SiC 위스커에 의한 파괴시의 클랙진전을 저해하는 작용과 소결과정에 있어서의 SiC 입자의 존재에 의한 미세구조제어 작용에 의해 강도가 980㎫ 이상, 인성이 K_IC=5.3㎫^0.5이상으로 고강도, 고인성의 구조재료로써 최적한 재료이다.

또한 1000℃까지의 고온특성도 뛰어나므로 엔진부품의 고온 구조재료로도 응용 가능하다.

Claims (2)

1. 입경 1㎛ 이하의 SiC 입자 2-20몰% 단경 0.5-5㎛, 아스펙트 비율 3 이상의 SiC위스커 2-20몰%가 분산하여, 매트릭스가 입자지름 5㎛ 이하인 α-Al₂O₃입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 SiC-Al₂O₃복합소결체.
2. 입경 0.5㎛ 이하의 SiC 입자 2-20몰%, 단경 0.5-5㎛, 아스펙트 비율이 3 이상의 SiC위스커 2-20몰%를 포함하고, 나머지가 입자지름 2㎛ 이하인 Al₂O₃분말인 조합 분말을 성형하여, 1400-1800℃로 소결하는 것을 특징으로 하는 SiC-Al₂O₃복합소결체의 제조방법.

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