[논문]가스압 반응소결로 제조된 SiAlON 세라믹스의 상형성과 물리적 특성

이소율; 최재형; 한윤수; 이성민; 김성원

doi:10.4150/kpmi.2017.24.6.431

가스압 반응소결로 제조된 SiAlON 세라믹스의 상형성과 물리적 특성
Phase Formation and Physical Properties of SiAlON Ceramics Fabricated by Gas-Pressure Reactive Sintering 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.24 no.6, 2017년, pp.431 - 436

이소율 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 최재형 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 한윤수 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 이성민 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 김성원 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

SiAlON-based ceramics are some of the most typical oxynitride ceramic materials, which can be used as cutting tools for heat-resistant super-alloys (HRSA). SiAlON can be fabricated by using gas-pressure reactive sintering from the raw materials, nitrides and oxides such as $Si_3N_4$, AlN, $Al_2O_3$, and $Yb_2O_3$. In this study, we fabricate $Yb_{m/3}Si_{12-(m+n)}Al_{m+n}O_nN_{16-n}$ (m=0.3, n=1.9, 2.3, 2.7) ceramics by using gas-pressure sintering at different sintering temperatures. Then, the densification behavior, phase formation, microstructure, and hardness of the sintered specimens are characterized. We obtain a fully densified specimen with ${\beta}$-SiAlON after gas-pressure sintering at $1820^{\circ}C$ for 90 min. under 10 atm $N_2$ pressure. These SiAlON ceramic materials exhibited hardness values of ~92.9 HRA. The potential of these SiAlON ceramics for cutting tool application is also discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 희토류 산화물 Yb₂O₃를 소결조제로 사용하여 반응소결을 통해 β-SiAlON이 주요 구성상을 이루는 SiAlON 세라믹스를 제조하고 소결온도에 따른 치밀화거동과 상형성, 미세구조 등을 고찰하고 기계적 특성으로 경도를 평가하여 본 소재의 공구로서의 적용가능성을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Yb_m/3Si_12-(m+n)Al_m+nO_nN_16-n(m=0.3, n=1.9, 2.3, 2.7)의 세 조성을 지니도록 Si₃N₄-AlN-Al₂O₃계에 희토류 산화물 Yb₂O₃를 소결조제로 첨가하고 소결온도를 달리한 가스압소결을 통해 소결체 시편을 제조하고 소결 거동, 상형성, 미세구조와 기계적 물성을 평가하였다. 직경과 두께 수축률이 성형체와 비교하여 ~20%에 이르는 값을 지니며 미세구조상에 기공이 거의 사라진 치밀화된 소재를 1820^oC의 가스압소결을 통해서 얻을 수 있었다.

이론/모형

의 스캔속도로 결정구조를 분석하고 단면연마한 시편으로 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6390, JEOL, Japan)의 BSE (Back-scattered electron) mode를 이용하여 단면 미세구조를 관찰하였다. SiAlON 소결시편의 기계적 특성으로는 로크웰 경도계(HR-521, Mitutoyo, Japan)를 HRA scale로 설정하여 KS M ISO 6508 의 규격에 규정된 절차에 따라 경도를 평가하였다.

성능/효과

직경과 두께 수축률이 성형체와 비교하여 ~20%에 이르는 값을 지니며 미세구조상에 기공이 거의 사라진 치밀화된 소재를 1820^oC의 가스압소결을 통해서 얻을 수 있었다. 상형성의 경우 1780^oC 소결체에서만 α-/β-SiAlON 이 동시에 존재하였는데 Al 첨가량 혹은 설계조성에서의 n값이 증가할수록 α-SiAlON 의 양이 감소하는 경향을 보였다. 완전 치밀화된 1820^oC 소결체에서는 조성에 관계없이 β- SiAlON 과 입계상으로만 이루어진 미세구조를 보였으며 92.
상형성의 경우 1780^oC 소결체에서만 α-/β-SiAlON 이 동시에 존재하였는데 Al 첨가량 혹은 설계조성에서의 n값이 증가할수록 α-SiAlON 의 양이 감소하는 경향을 보였다. 완전 치밀화된 1820^oC 소결체에서는 조성에 관계없이 β- SiAlON 과 입계상으로만 이루어진 미세구조를 보였으며 92.8~92.9 HRA의 경도값을 나타내었다. 본 연구를 통해 Yb-SiAlON 계에서 β-SiAlON 만 존재하는 소결체를 제조 하여 내열초합금 절삭공구용 사이알론 세라믹스 소재에 대한 기초정보를 확보하였다고 사료된다.
7)의 세 조성을 지니도록 Si₃N₄-AlN-Al₂O₃계에 희토류 산화물 Yb₂O₃를 소결조제로 첨가하고 소결온도를 달리한 가스압소결을 통해 소결체 시편을 제조하고 소결 거동, 상형성, 미세구조와 기계적 물성을 평가하였다. 직경과 두께 수축률이 성형체와 비교하여 ~20%에 이르는 값을 지니며 미세구조상에 기공이 거의 사라진 치밀화된 소재를 1820^oC의 가스압소결을 통해서 얻을 수 있었다. 상형성의 경우 1780^oC 소결체에서만 α-/β-SiAlON 이 동시에 존재하였는데 Al 첨가량 혹은 설계조성에서의 n값이 증가할수록 α-SiAlON 의 양이 감소하는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ni-계 내열초합금의 경우 일반적으로 금속 소재에 비해 절삭가공이 어려운 난삭재로 분류되는 이유는?	항공용 혹은 발전용 가스터빈의 부품으로 Ti-계와 Ni-계 금속이 사용되는데 특히 고온부에 적용되는 Ni-계 내열초합금 (HRSA, Heat Resistant Super-Alloy)은 고융점, 고경도, 고온 내식성 등의 우수한 특성을 지니며 고온 구조소재로 널리 사용된다[1]. 내열초합금은 고경도, 저열전도도 등의 물리적 특성으로 인해 일반적인 금속 소재에 비해 절삭가공이 어려운 난삭재로 분류되며[2] 이 소재를 절삭가공하기 위해 코팅초경, 세라믹스, cBN 등 다양한 소재의 절삭 공구가 산업적으로 이용되고 있다. 특히 내열초합금 절삭용으로 사용되는 세라믹스 소재로는 SiAlON, Al2O3-SiCw 복합체 등이 있다[1, 3, 4].
	SiAlON이란?	SiAlON은 Si-Al-O-N 계의 질화물-산화물 간의 고용상으로 1970년대 β-Si3N4의 소결을 위해 Al2O3 등의 산화물을 소결조제로 고용화하여 제조하면서 개발된 세라믹스 소재이다[6-8]. β-Si3N4의 Si-N 결합을 Al-O 결합으로 치환한 것이 β-SiAlON으로 알려져 있으며 일반식 Si6-zAlzOzN8-z 으로 표현된다.
	대표적인 SiAlON 세라믹스를 치밀화 하는 방법은?	SiAlON 세라믹스의 경우 Si3N4, AlN과 같은 질화물과 소결조제로 SiO2, Al2O3 의 산화물 및 희토류 산화물 등을 혼합하여 임시액상소결(Transient liquid sintering)을 통해 치밀화 되는데 반응가스압소결(Reactive gas-pressure sintering) 이 대표적인 치밀화방법 중 하나이다[9, 10]. 반응소결을 통해 치밀화 된 SiAlON 세라믹스의 미세구조 내에는 β-SiAlON, α-SiAlON, 입계상(IGP, Inter-granular phases)이 존재하는데 각 상의 비율이나 입자형상, IGP 내의 비정질상, 결정상의 비율 등이 SiAlON 세라믹스의 기계적, 화학적, 열적 특성을 결정하는 것으로 알려져 있다[8, 11].

참고문헌 (12)

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H. Mandal: J. Eur. Ceram. Soc., 19 (1999) 2349.

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I. W. Chen and A. Rosenflanz: Nature, 389 (1997) 701.

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