KR100584742B1 - 강도 및 윤활성이 우수한 질화붕소계 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융금속의 도가니, 열전대 보호관 등의 재료로 사용되는 질화붕소 복합체에 관한 것으로, 그 목적은 질화붕소 복합량의 증감에 따라서 열적, 화학적, 기계적 특성들이 민감하게 상반되는 방향으로 변화되는 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 윤활성이 우수한 고순도 조립 질화붕소와 소결성이 우수한 저순도 미립 질화붕소를 적절히 배합하여 윤활성, 열충격저항성 및 기계가공성과 함께 강도특성을 동시에 개선할 수 있는 질화붕소 복합체를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 질화붕소: 20~35중량%와 나머지 질화물 또는 질산화물의 그룹에서 선택된 1종으로 조성되고, 상기 질화붕소가 고순도 질화붕소: 35~65중량%와 저순도 질화붕소: 35~65중량%로 이루어지는 강도 및 윤활성이 우수한 질화붕소 복합체에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

질화붕소 복합체, 고순도 조립 질화붕소, 저순도 미립 질화붕소, 소결성, 윤활성

Description

강도 및 윤활성이 우수한 질화붕소계 복합체{High Strength and Lubricous Boron Nitride Ceramics}

도 1은 본 발명의 공정도

도 2는 고순도 조립 BN의 첨가량에 따른 질화붕소 복합체의 강도를 나타내는 그래프(종래예)

도 3은 고순도 조립 BN과 저순도 미립 BN의 혼합 첨가에 따른 질화붕소 복합체의 강도를 나타내는 그래프(발명예)

본 발명은 용융금속의 도가니, 열전대 보호관 등의 재료로 사용되는 질화붕소 복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화붕소를 윤활성이 좋은 고순도 조립 질화붕소와 소결성이 좋은 저순도 미립 질화붕소로 구분하여 사용하여 윤활성과 동시에 기계적 강도특성이 우수한 질화붕소 복합체의 조성에 관한 것이다.

질화붕소계 복합 세라믹스는 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물 등에 육방정 질화붕 소(h-BN)가 분산되어 있는 것으로, 내열성, 열충격저항성, 내식성 윤활성이 우수하며 기계가공이 용이하다. 이러한 특성에 힘입어 용융금속의 도가니, 열전대 보호관, 고온용 부품 등으로 널리 이용되고 있다.

고순도 질화붕소는 난소결성 재료이므로 일반적인 소결방법으로는 치밀화가 어렵기 때문에 CaO, B₂O₃ 등을 소결조제로 첨가하여 열간가압소결법에 의해서 제조되고 있다. 그러나 고순도 질화붕소는 강도 및 경도가 매우 낮아서 특수한 용도 이외에는 사용이 제한되고 있다. 따라서 질화붕소계 세라믹스는 복합체 형태가 보다 넓은 용도로 사용되고 있다.

질화붕소복합체는 질소 분위기에서 반응소결, 상압소결, 개스압소결 및 열간가압소결 등의 다양한 방법으로 제조되고 있으며, 다른 재료들과의 반응성이 낮기 때문에 다양한 재료들과의 복합체가 제조될 수 있다. 그 예로서 일본특허 특개평2-252662에서는 질화알루미늄과 질화붕소 입자를 혼합하여 복합체를 제조하는 방법이 제시되어 있다. 또한, 일본 특개평3-153573에서는 사이알론-질화붕소 복합체의 제조방법이 제시되어 있으며, 특개소56-120575에서는 질화규소-질화붕소 복합체의 제조방법이 제안되어 있다. 이들 종래기술의 대부분에서는 복합되는 질화붕소 분말은 단일 원료를 사용하여 기지상 재료에 질화붕소의 함량의 제어와 기지상 재료들의 소결방법을 개선하는 방법들을 통하여 질화붕소 복합체를 제조하고 물성을 향상시키는 방법들이다.

통상적으로 가장 널리 이용되고 있는 상압소결법으로 제조된 질화붕소 복합체에 있어서 질화붕소(BN)의 함량이 40중량% 이상이 될 경우에는 치밀화가 거의 이루어지지 못하여 강도가 매우 낮게 되며, 함량이 20 중량% 이하가 될 경우에는 윤활성, 열충격저항성, 기계가공성이 나쁜 것으로 알려져 있다. 일반적인 육방정 질화규소 복합체는 열충격저항성, 화학적 안정성, 기계가공성을 높이기 위해서 BN의 함량을 높게 할 경우에는 질화붕소의 난소결 특성에 기인하여 강도특성이 저하되는 문제가 있다. 반대로 경도, 강도 등의 기계적 특성들을 향상 시키기 위해서 BN 복합량을 낮출 경우에는 윤활성 및 열적성질이 저하되는 문제점이 있다. 그러므로 윤활성과 함께 강도특성을 향상시키기는 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 육방정 질화붕소 복합체에서 질화붕소 복합량의 증감에 따라서 열적, 화학적, 기계적 특성들이 민감하게 상반되는 방향으로 변화되는 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 윤활성이 우수한 고순도 조립 질화붕소와 소결성이 우수한 저순도 미립 질화붕소를 적절히 배합하여 윤활성, 열충격저항성 및 기계가공성과 함께 강도특성을 동시에 개선할 수 있는 질화붕소 복합체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질화붕소 복합체는,

질화붕소: 20~35중량%와 나머지 질화물 또는 질산화물의 그룹에서 선택된 1종으로 조성되고, 상기 질화붕소가 고순도 질화붕소: 35~65중량%와 저순도 질화붕소: 35~65중량%로 이루어지는 강도 및 윤활성이 우수한 질화붕소 복합체.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

질화붕소 복합체에 첨가되는 육방정 질화붕소 분말은 인공적인 합성원료로서 그 제조 및 처리방법에 따라서 입도, 순도 및 표면특성들이 달려지며, 이들에 기인하여 소결성, 윤활성 등에 차이를 나타내는 것으로 알려져 있다[J.Am.Ceram.Soc., 72[8] 1482-84 (1989)]. 원료의 입도가 크고 순도가 높은 경우는 윤활성이 우수하고 반응성이 낮으며, 입도가 작고 불순물의 함량이 높은 경우에는 입자가 거칠어져 윤활성은 낮아지며 소결성이 향상되므로 첨가되는 질화붕소 분말의 종류에 따라서 복합체의 특성도 상이 하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 윤활성, 열충격저항성이 우수한 고순도 조립 질화붕소 원료와 소결성이 우수한 저순도 미립 질화붕소 원료를 질화물 또는 질산화물에 적정한 비율로 첨가하는데 특징이 있다.

본 발명에서는 고순도와 저순도는 상대적인 기준으로 구분하는데, 일례로 그 기준은 함유되는 불순물의 양이 약 1중량%를 기준으로 한다. BN에는 Ca, Si 또는 이들의 산화물이 불순물로 포함되어 있다. 따라서, 이들 불순물이 1중량%이하로 함유되어 순도 99%이상을 고순도라 하고 그 반대의 경우를 저순도라 할 수 있다.

조립과 미립 또한 상대적인 기준으로 구분하는데, 일례로 그 기준은 평균입도 2 micron를 기준으로 한다. 평균입도가 2㎛이상의 조립인 경우에는 육각판상을 하고 있으며, 2㎛미만의 경우에는 입자가 작아 구형에 가까워 진다.

질화붕소는 화학적으로 매우 안정하기 때문에 다른 재료에 첨가될 경우에도 기지상 재료와의 반응이 거의 없이 분산상으로 존재된다. 이와 같은 질화붕소의 특성을 이용하여 본 발명에서는 기지상 내에 분산되어 나타내는 성질이 상이한 고순도 조립 BN과 저순도 미립 BN를 적정비로 함께 첨가하여 각각의 특성이 동시에 발휘되도록 하는 것이다. 본 발명에서는 고순도 조립의 BN을 총 BN의 양중에서 35~65중량% 사용한다. 고순도 조립 BN의 양이 35중량%이상 되어야 윤활성과 내화학성을 확보할 수 있으나, 65중량% 이상 함유되면 소결성이 떨어진다. 조립 BN의 경우 육각판상을 하고 있다. 또한, 저순도 미립의 BN을 총 BN의 양중에서 35~65중량% 사용한다. 저순도 미립 BN의 양이 35중량%이상되어야 소결성이 확보되나, 65중량%초과의 경우에는 윤활성과 내화학성이 떨어진다. 저순도 미립 BN의 경우에는 소결성이 양호하며, 기지상 재료에 첨가되어 기계적 특성을 나타내는 데는 유리하나,윤활성, 내화학성 및 열충격저항성 및 열간강도 측면에서는 불리하다.

본 발명에 따라 고순도 조립 BN과 저순도 미립 BN을 기지상분말과 혼합하여 질화붕소 복합체를 제조하는 공정을 도 1를 참고하여 설명한다. 도 1의 제조공정은 종래의 세라믹 제조공정과 유사하지만 2종의 BN 원료를 기지상 내에 각각 균일하게 분산시키기 위해서 고순도 조립 BN과 저순도 미립 BN를 기지상 분말과 혼합하기 이 전의 공정에서 혼합시키는데 차이가 있다. 따라서, 2종의 BN 원료 분말들을 각각 일정비로 하여 에틸 알코올, 메틸 알코올 등의 비수계 용매에 분산시킨 후, 교반에 의해 혼합을 실시한다. 2종의 BN 분말이 혼합되어 있는 용액을 기지상 분말이 분산되어 있는 비수계 용액에 혼합한 후, 1~2시간 이내의 볼 밀링(ball milling)을 통하여 기지상과 2종의 BN 분말이 균일하게 분산되도록 한다. 볼 밀링 시간이 짧은 경우에는 기지상 분말과 BN 분밀이 균일하게 분산되지 못하며, 볼밀 시간이 2시간 이상으로 긴 경우에는 두 종의 BN 분말이 모두 분쇄가 되어 특성차이가 감소될 수 있다. 혼합이 완료된 용매는 과립화 과정을 통하여 기지상 입자와 2종의 BN 입자가 균일하게 혼합된 과립으로 제조된다. 제조된 과립은 프레스, 정수압성형(CIP) 등의 성형공정을 통하여 성형체로 제조되며, 건조 및 질소 분위기 하에서 소성을 통하여 치밀화된 소결체를 제조한다.

상기와 같은 공정에 의해 제조된 BN 복합체에 있어서 물성을 제어하기 위해서는 2종의 질화붕소 분말과 기지상분말(질화물 또는 질산화물)과의 혼합비를 적정화하는 것이 중요하다. 예를 들어 질화규소-질화붕소 복합체에 있어서 윤활성, 화학적 안정성, 내열성, 열충격저항성을 높이기 위해서 고순도 조립 BN과 저순도 미립 BN이 혼합된 BN을 BN 함량이 약 20 중량% 이상이 되는 경우에 열충격저항성 및 기계가공성과 윤활성 등이 향상된다. 그러나 이와 같은 BN 복합체는 제 2도에 나타낸 바와 같이 전반적으로 강도가 낮으며, BN의 복합량이 증가됨에 따라 강도가 감소되어 약 30 중량 %이하에서는 밀도와 강도가 크게 감소되어 재료로 사용하기가 곤란 하다. 따라서 기계적 강도상의 문제에 의해 BN의 첨가량이 크게 제한되며, 열적, 화학적 특성들도 보다 향상시킬 수 없는 문제가 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[종래예]

질화규소-질화붕소(BN)복합체에서 질화붕소를 고순도 조립 BN(Ca, Si, O₂의 함량이 0.34% 이상인 순도 99.5%이고 입도가 7.5 μm)만으로 사용하는 경우에 고순도 조립BN의 함량에 따른 곡강도와 상대밀도를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타난 바와 같이, 고순도 조립BN을 사용하는 경우에는 그 함량이 약 20%이내에서는 곡강도나 상대밀도가 확보되지만 점차 그 함량이 많아지면 곡강도나 상대밀도가 떨어짐을 알 수 있다.

[실시예]

질화붕소 총량이 20~35 중량%인 질화규소-질화붕소 복합체에 대하여 고순도 조립 BN(Ca, Si, O₂의 함량이 0.34% 이상인 순도 99.5%이고 입도가 7.5 μm)과 저순도 미립 BN(Ca, Si, O₂의 함량이 5.3% 이상인 순도 92.5%이고 입도가 1.8 μm)의 혼합비를 변화시키면서 강도변화를 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 저순도 미립 BN의 함량이 약 35~80 % 사이에서 강도의 향상효과가 35% 이하 및 80% 이상에서는 강도 증가효과가 둔화되었다. 따라서 고순도 조립 BN에 대한 저순도 미립 BN의 혼합비는 35~80% 사이에서 조정하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.

한편 저순도 미립 BN의 혼합비가 65% 이상이 되는 경우에는 BN복합체의 기계가공성은 있으나, 윤활성이 저하되는 것으로 판단되었다. 특히 BN량이 20 중량 %인 복합체는 기계가공성도 다소 악화되었다. 따라서 질화물, 질산화물을 기지상으로 하여 질화붕소를 첨가한 질화붕소 복합체의 제조에 있어서 본 발명에서는 질화붕소 복합체의 기계가공성, 윤활성을 적절하게 유지시키고 강도를 향상시키기 위해서 전체 조성중 질화붕소의 총 함량을 20~35 중량%로 질화붕소 원료 분말은 고순도 조립 BN 35~65 %와 저순도 미립 BN 35~65%를 혼합하여 첨가하는 것이 좋다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 윤활성, 열충격저항성, 화학적 안정성이 우수한 반면 기계적 특성이 낮은 질화붕소계 복합체 세라믹스의 강도를 향상시킴으로서 고온용 부품으로의 이용범위를 확대할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 육방정 질화붕소: 20~35중량%와 나머지 질화물 또는 질산화물의 그룹에서 선택된 1종으로 조성되고, 상기 질화붕소가 고순도 질화붕소: 35~65중량%와 저순도 질화붕소: 35~65중량%로 이루어지고, 상기 고순도와 저순도의 구분은 순도 99%를 기준으로 하는 강도 및 윤활성이 우수한 질화붕소 복합체.
2. 삭제
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고순도 질화붕소는 2㎛이상의 조립이고, 저순도 질화붕소는 2㎛미만의 미립임을 특징으로 하는 강도 및 윤활성이 우수한 질화붕소 복합체.

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