전 세계적으로 세라믹 복합체는 다양한 산업분야에 응용되고 있다. 이중에서 WC/Co계를 중심으로 한 초경합금과, TiC/Ni계를 중심으로한 써멧(cermet) 재료가 가장 널리 사용되고 있다. 이들 소재는 경도가 높고 내마모성이 우수한 탄화물(WC 또는 TiC)에 파괴인성이 높은 금속(Co, ...
전 세계적으로 세라믹 복합체는 다양한 산업분야에 응용되고 있다. 이중에서 WC/Co계를 중심으로 한 초경합금과, TiC/Ni계를 중심으로한 써멧(cermet) 재료가 가장 널리 사용되고 있다. 이들 소재는 경도가 높고 내마모성이 우수한 탄화물(WC 또는 TiC)에 파괴인성이 높은 금속(Co, Ni)을 바인더로 사용하여 우수한 경도와 내마모성을 나타냄과 동시에 높은 파괴인성을 가지고 있어 기계가공에 필요한 절삭공구 뿐 아니라 몰드 및 die 소재로도 많이 사용되고 있다. 그러나 바인더로 사용되는 Co, Ni은 가격이 비싸고, 경도가 낮고, 또한 가공되는 금속재료의 강도가 점차 증가하여 기존의 초경합금과 써멧 소재의 기계적 성질과 내마모 특성의 개선이 요구되고 있다.[1] 금속질화물인 TiN은 낮은 밀도, 높은 융점, 높은 경도 및 열역학적 안정성이 우수하기 때문에 코팅재료 및 절삭 공구에 광범위하게 사용되어 왔다 [2]. 또한 AlN은 우수한 절연성, 높은 열전도도, 낮은 밀도, Si과 비슷한 열팽창 계수를 가지고 있기 때문에 고 전력 집적 회로 기판에 사용할 수 있는 유망한 재료로 알려져 있다 [3]. 금속산화물인 4YSZ와 Al2O3는 낮은 밀도, 높은 경도, 우수한 생체 적합성 및 우수한 내 산화성특성을 가진 세라믹 재료이다. [4-8]. 이러한 특성들로 인해 절삭공구, 산소 센서, 연료 전지, 고관절 및 무릎 관절 대체물로 사용되고 있다. 그러나 많은 세라믹 재료 경우처럼 연청-취성 천이온도 이하에서 파괴인성이 매우 낮기 때문에[9] 응용범위에 제한을 받는다. 파괴인성을 향상시키는 방법 중 하나는 세라믹 재료에 다른 원소 또는 화합물을 첨가하여 복합체를 제조하는 것이다. 복합체를 형성하면 균열 분지(crack branching), 균열 굴절(crack deflection), 균열 가교(crack bridging) 등의 강화기구에 의해 균열의 전파가 방해되어 파괴인성이 향상되는 것으로 보고 되고 있다.[10,11] 제 2상으로 첨가되는 원소로는 경도가 높은 육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride, 이하 BN으로 칭함)을 적용 시켰다. 또한 나노구조 재료는 일반적인 구조 재료와 비교하여 우수한 물성을 나타내므로 넓은 범위에서 연구가 진행되고 있다. 특히 나노구조 재료의 결정립계의 증가로 새로운 전기, 자기적 성질, 광학적 성질 및 기계적 성질을 나타내고 있기 때문에 많은 연구자들의 관심이 되어오고 있다[12-15]. 특히 결정립 크기가 미세하면 재료의 경도와 동시에 파괴인성을 향상시킬 수 있기 때문에 재료의 중요한 강화기구가 되고 있다. 나노구조 재료는 물리적, 기계적 성질이 우수하기 때문에 많은 연구자들이 연구하고 있다[16,17]. 최근에 100nm이하의 분말을 스프레이 컨버젼 공정 (spray conversion process), 공침법과 고에너지 볼 밀링 등에 의해 제조되고 있다 [18-20]. 하지만 기존의 소결 방법으로는 고온에서 장시간 가열해야 하기 때문에 소결 중 입자성장이 많이 일어난다. 따라서 100nm 이하의 입자를 기존의 소결 방법으로 소결할 때 결정립이 500nm이상으로 성장해서 나노구조 재료를 제조하기 힘들다[21]. 나노구조를 소결할 때 소결 중 입자성장을 억제하는 것이 중요한 과제이다. 따라서 본 연구에서는 급속 소결 방법인 펄스전류 활성소결법(Pulsed current activated sintering, 이하 PCAS라 칭함)을 이용하여 WC, TiC, TiN, AlN, Al2O3, 4YSZ 에 BN의 vol%를 달리하여 복합재료를 제조하였다. 제조한 재료의 미세조직과 기계적 특성(경도, 파괴인성)을 평가한 후, 미세조직과 기계적 성질에 미치는 BN의 영향을 조사 분석하고자 한다.
전 세계적으로 세라믹 복합체는 다양한 산업분야에 응용되고 있다. 이중에서 WC/Co계를 중심으로 한 초경합금과, TiC/Ni계를 중심으로한 써멧(cermet) 재료가 가장 널리 사용되고 있다. 이들 소재는 경도가 높고 내마모성이 우수한 탄화물(WC 또는 TiC)에 파괴인성이 높은 금속(Co, Ni)을 바인더로 사용하여 우수한 경도와 내마모성을 나타냄과 동시에 높은 파괴인성을 가지고 있어 기계가공에 필요한 절삭공구 뿐 아니라 몰드 및 die 소재로도 많이 사용되고 있다. 그러나 바인더로 사용되는 Co, Ni은 가격이 비싸고, 경도가 낮고, 또한 가공되는 금속재료의 강도가 점차 증가하여 기존의 초경합금과 써멧 소재의 기계적 성질과 내마모 특성의 개선이 요구되고 있다.[1] 금속질화물인 TiN은 낮은 밀도, 높은 융점, 높은 경도 및 열역학적 안정성이 우수하기 때문에 코팅재료 및 절삭 공구에 광범위하게 사용되어 왔다 [2]. 또한 AlN은 우수한 절연성, 높은 열전도도, 낮은 밀도, Si과 비슷한 열팽창 계수를 가지고 있기 때문에 고 전력 집적 회로 기판에 사용할 수 있는 유망한 재료로 알려져 있다 [3]. 금속산화물인 4YSZ와 Al2O3는 낮은 밀도, 높은 경도, 우수한 생체 적합성 및 우수한 내 산화성특성을 가진 세라믹 재료이다. [4-8]. 이러한 특성들로 인해 절삭공구, 산소 센서, 연료 전지, 고관절 및 무릎 관절 대체물로 사용되고 있다. 그러나 많은 세라믹 재료 경우처럼 연청-취성 천이온도 이하에서 파괴인성이 매우 낮기 때문에[9] 응용범위에 제한을 받는다. 파괴인성을 향상시키는 방법 중 하나는 세라믹 재료에 다른 원소 또는 화합물을 첨가하여 복합체를 제조하는 것이다. 복합체를 형성하면 균열 분지(crack branching), 균열 굴절(crack deflection), 균열 가교(crack bridging) 등의 강화기구에 의해 균열의 전파가 방해되어 파괴인성이 향상되는 것으로 보고 되고 있다.[10,11] 제 2상으로 첨가되는 원소로는 경도가 높은 육방정계 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride, 이하 BN으로 칭함)을 적용 시켰다. 또한 나노구조 재료는 일반적인 구조 재료와 비교하여 우수한 물성을 나타내므로 넓은 범위에서 연구가 진행되고 있다. 특히 나노구조 재료의 결정립계의 증가로 새로운 전기, 자기적 성질, 광학적 성질 및 기계적 성질을 나타내고 있기 때문에 많은 연구자들의 관심이 되어오고 있다[12-15]. 특히 결정립 크기가 미세하면 재료의 경도와 동시에 파괴인성을 향상시킬 수 있기 때문에 재료의 중요한 강화기구가 되고 있다. 나노구조 재료는 물리적, 기계적 성질이 우수하기 때문에 많은 연구자들이 연구하고 있다[16,17]. 최근에 100nm이하의 분말을 스프레이 컨버젼 공정 (spray conversion process), 공침법과 고에너지 볼 밀링 등에 의해 제조되고 있다 [18-20]. 하지만 기존의 소결 방법으로는 고온에서 장시간 가열해야 하기 때문에 소결 중 입자성장이 많이 일어난다. 따라서 100nm 이하의 입자를 기존의 소결 방법으로 소결할 때 결정립이 500nm이상으로 성장해서 나노구조 재료를 제조하기 힘들다[21]. 나노구조를 소결할 때 소결 중 입자성장을 억제하는 것이 중요한 과제이다. 따라서 본 연구에서는 급속 소결 방법인 펄스전류 활성소결법(Pulsed current activated sintering, 이하 PCAS라 칭함)을 이용하여 WC, TiC, TiN, AlN, Al2O3, 4YSZ 에 BN의 vol%를 달리하여 복합재료를 제조하였다. 제조한 재료의 미세조직과 기계적 특성(경도, 파괴인성)을 평가한 후, 미세조직과 기계적 성질에 미치는 BN의 영향을 조사 분석하고자 한다.
Around the world, ceramic composites are used in various industrial fields. Refractory metal carbides are promising ceramic materials because these compounds exhibit unusual combinations of physical and chemical properties such as high hardness, high melting point and excellent resistance to oxidati...
Around the world, ceramic composites are used in various industrial fields. Refractory metal carbides are promising ceramic materials because these compounds exhibit unusual combinations of physical and chemical properties such as high hardness, high melting point and excellent resistance to oxidation. They are used extensively in cutting tool and abrasive materials in composite with a binder metal, such as Co or Ni. However, the drawback of the high cost of Co or Ni and the low corrosion resistance limites wide application in industry. Titanium nitride (TiN) has been used extensively in coating materials and cutting tools due to its attractive properties, including low density, high melting point, high hardness, and thermodynamic stability. Also aluminum nitride (AlN) has an attractive properties such as its high thermal conductivity, excellent electrical insulation, thermal expansion coefficient close to that of Si and low density. Therefore, it is considered to be a promising packing material and substrate for high power integrated circuits. The metal oxides, 4YSZ and Al2O3, is an attractive ceramic material due to its low density, high hardness, good bio-compatibility and good oxidation resistance. It has been used extensively in cutting tools, as abrasive materials and prosthetic hip and knee joint replacements. However, these materials as in the case of many ceramic materials, the current concern about these materials focuses on their low fracture toughness below the ductile-brittle transition temperature. To improve its mechanical properties, the approach generally utilized has been the addition of a second phase to form composites and to make nanostructured materials. The fracture toughness of composite can be improved by crack deflection and branching. As an element added to the second phase, hexagonal boron nitride (hereinafter referred to as BN) was applied. As nano materials possess high strength, high hardness, excellent ductility and toughness, undoubtedly, more attention has been paid to their potential application. Recently, nano crystalline powders have been produced by high-energy milling. The sintering temperature of high-energy mechanically milled powder is lower than that of un milled powder due to the increased reactivity, internal and surface energies, and surface area of the milled powder, which contribute to its so-called mechanical activation. The grain size in sintered materials becomes much larger than that in pre-sintered powders due to rapid grain growth during a conventional sintering process. It is an important task to inhibit grain growth during sintering when the nano structure is sintered. In this study, composites were fabricated by varying the vol% of BN in WC, TiC, TiN, AlN, Al2O3, and 4YSZ using pulsed current activated sintering (PCAS) After evaluating the microstructure and mechanical properties (hardness, fracture toughness) of the prepared materials, the effect of BN on the microstructure and mechanical properties is analyzed.
Around the world, ceramic composites are used in various industrial fields. Refractory metal carbides are promising ceramic materials because these compounds exhibit unusual combinations of physical and chemical properties such as high hardness, high melting point and excellent resistance to oxidation. They are used extensively in cutting tool and abrasive materials in composite with a binder metal, such as Co or Ni. However, the drawback of the high cost of Co or Ni and the low corrosion resistance limites wide application in industry. Titanium nitride (TiN) has been used extensively in coating materials and cutting tools due to its attractive properties, including low density, high melting point, high hardness, and thermodynamic stability. Also aluminum nitride (AlN) has an attractive properties such as its high thermal conductivity, excellent electrical insulation, thermal expansion coefficient close to that of Si and low density. Therefore, it is considered to be a promising packing material and substrate for high power integrated circuits. The metal oxides, 4YSZ and Al2O3, is an attractive ceramic material due to its low density, high hardness, good bio-compatibility and good oxidation resistance. It has been used extensively in cutting tools, as abrasive materials and prosthetic hip and knee joint replacements. However, these materials as in the case of many ceramic materials, the current concern about these materials focuses on their low fracture toughness below the ductile-brittle transition temperature. To improve its mechanical properties, the approach generally utilized has been the addition of a second phase to form composites and to make nanostructured materials. The fracture toughness of composite can be improved by crack deflection and branching. As an element added to the second phase, hexagonal boron nitride (hereinafter referred to as BN) was applied. As nano materials possess high strength, high hardness, excellent ductility and toughness, undoubtedly, more attention has been paid to their potential application. Recently, nano crystalline powders have been produced by high-energy milling. The sintering temperature of high-energy mechanically milled powder is lower than that of un milled powder due to the increased reactivity, internal and surface energies, and surface area of the milled powder, which contribute to its so-called mechanical activation. The grain size in sintered materials becomes much larger than that in pre-sintered powders due to rapid grain growth during a conventional sintering process. It is an important task to inhibit grain growth during sintering when the nano structure is sintered. In this study, composites were fabricated by varying the vol% of BN in WC, TiC, TiN, AlN, Al2O3, and 4YSZ using pulsed current activated sintering (PCAS) After evaluating the microstructure and mechanical properties (hardness, fracture toughness) of the prepared materials, the effect of BN on the microstructure and mechanical properties is analyzed.
주제어
#Ceramic pulsed current activated sintering nanostructured hardness fracturetoughness
학위논문 정보
저자
조우진
학위수여기관
전북대학교 일반대학원
학위구분
국내석사
학과
재료공학
지도교수
손인진
발행연도
2019
총페이지
ii, 106 p.
키워드
Ceramic pulsed current activated sintering nanostructured hardness fracturetoughness
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