KR20110107959A - High Density Boron Carbide Sintered Body and Manufacturing Method Thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 탄화붕소 분말을 퍼니스에 구비된 몰드에 넣고 압력을 가하여 원하는 형태의 성형체로 성형하는 단계와, 펌프를 작동시켜 퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 배기하고, 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하는 단계와, 상기 퍼니스의 온도를 탄화붕소 분말의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도보다 높은 온도로 1차 상승시키는 단계와, 상기 퍼니스의 온도를 붕소산화물이 휘발되는 온도보다 높고 탄화붕소의 용융 온도보다 낮은 소결 온도로 2차 상승시키는 단계와, 상기 소결 온도에서 탄화붕소 분말의 성형체에 압력을 가하면서 환원 가스 분위기인 수소(H2) 가스 분위기에서 탄화붕소를 소결시키는 단계 및 퍼니스를 냉각하여 탄화붕소 소결체를 얻는 단계를 포함하는 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고밀도 탄소붕소 소결체에 관한 것이다. The present invention comprises the steps of molding the boron carbide powder into a mold provided in the furnace and applying pressure to form a molded body of a desired shape, operating a pump to exhaust the impurity gas present in the furnace, and reducing gas (H 2 ). Supplying a gas, increasing the temperature of the furnace to a temperature higher than a temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the boron carbide powder volatilizes, and increasing the temperature of the furnace to boron oxide Secondly raising to a sintering temperature higher than the volatilized temperature and lower than the melting temperature of boron carbide, and carbonizing in a hydrogen gas (H 2 ) gas atmosphere which is a reducing gas atmosphere while applying pressure to the molded body of boron carbide powder at the sintering temperature. Method for producing a high density boron carbide sintered body comprising the step of sintering boron and cooling the furnace to obtain a boron carbide sintered body It relates to a high-density carbon boron sintered body produced by the year.
Description
본 발명은 탄화붕소(B4C) 소결체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 경도, 내마모성, 내연삭성, 중성자 흡수성 등의 특성을 나타내어 연마재료 또는 절삭용구 재료로 사용되는 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고밀도 탄화붕소 소결체에 관한 것이다.
The present invention relates to a boron carbide (B 4 C) sintered body and a method for manufacturing the same, and more particularly, high-density carbonization used as an abrasive material or a cutting tool material exhibiting properties such as high hardness, abrasion resistance, grinding resistance, and neutron absorption A method for producing a boron sintered body and a high density boron carbide sintered body produced thereby.
탄화붕소(B4C)는 다이아몬드와 질화붕소 입방체에 이어서 세 번째로 경도가 가장 높은 소재로서 높은 경도, 내마모성, 내연삭성, 중성자 흡수성 등의 특성으로 인하여 분말이나 소결체 형태로 여러 분야에 응용되고 있다. 탄화붕소 분말은 유리, 경금속 또는 인공광물의 연마에 사용되며, 소결체는 매우 높은 내마모성을 갖고 있기 때문에 샌드블래스트 노즐(sand blasting nozzle), 컴퓨터 디스크(computer disk), 연마 모터(grinding motor), 슬라이딩 마찰(sliding friction) 부품, 베어링 라이터(bearing liner), 방호복, 내화용 산화방지제, 내마모제 등에 주로 이용되고 있다. 또한, 탄화붕소(B4C)는 단위 면적당 높은 중성자 흡수성으로 인하여 핵 차폐물로도 이용되고 있다. Boron carbide (B 4 C) is the third-hardest material after diamond and boron nitride cubes, and is applied to various fields in the form of powder or sintered body due to its properties such as high hardness, abrasion resistance, grinding resistance, and neutron absorption. have. Boron carbide powder is used for polishing glass, light metals or artificial minerals, and since the sintered body has a very high wear resistance, sand blasting nozzle, computer disk, grinding motor, sliding friction It is mainly used for sliding friction parts, bearing liners, protective clothing, fire-resistant antioxidants and anti-wear agents. Boron carbide (B 4 C) is also used as a nuclear shield due to its high neutron absorption per unit area.
탄화붕소(B4C)는 공유결합 물질로서 융점이 높고 단단하여 연마재료 또는 절삭공구 재료로 사용되는데, 이와 같은 탄화붕소(B4C) 분말의 소결에는 일반적으로 탄소(C), Y2O3, SiC, Al2O3, TiB2, AlF3, W2B5 등의 소결조제가 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 소결조제는 2차상(secondary phase)을 형성하는 것으로 알려져 있으며, 소결조제를 첨가한 소결에 의해 형성되는 2차상은 탄화붕소(B4C)의 물성에 좋지 않은 영향을 미친다. 소결 조제에 의해 형성된 2차상의 함량이 증가함에 따라 탄화붕소의 경도와 기계적 특성은 급격히 감소한다는 것은 잘 알려져 있다. 예컨대, 탄화붕소(B4C)에 대한 소결조제로서 잘 알려진 것은 탄소(C)인데, 탄소를 소결조제로 사용하면 높은 상대 밀도를 갖는 탄소붕소(B4C)를 얻을 수 있지만 붕소/탄소 고용체의 결합비(탄화붕소 내의 탄소 함량이 약 20몰%)보다 과다하거나 적게 첨가되면 탄화붕소의 기계적특성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 소결조제를 첨가하지 않고 탄화붕소(B4C) 소결체를 얻는 방법에 대한 연구가 최근에 많이 이루어지고 있다. Boron carbide (B 4 C) is there is a high melting point and hardly used as the abrasive material or the cutting tool material is used as a covalent bond substance, such a boron carbide (B 4 C) is generally a carbon (C), Y 2 O sintering of the powder 3, SiC, Al 2 O 3 , TiB 2, AlF 3, W 2 has a sintering aid such as B 5 are used. However, such a sintering aid is known to form a secondary phase, and the secondary phase formed by sintering with the addition of the sintering aid adversely affects the physical properties of boron carbide (B 4 C). It is well known that the hardness and mechanical properties of boron carbide decrease rapidly as the content of the secondary phase formed by the sintering aid increases. For example, inde boron carbide (B 4 C) is a well-known carbon (C) as a sintering aid for, the use of carbon as a sintering aid to obtain a carbon-boron (B 4 C) having a high relative density, but the boron / carbon solid solution Excessive or less than the bonding ratio (about 20 mol% of carbon content in boron carbide) of may lower the mechanical properties of boron carbide. Therefore, there is research on the method without the addition of a sintering aid to obtain a boron carbide (B 4 C) sintered body made recently.
또한, 탄화붕소(B4C)의 표면에는 붕소산화물(B2O3)이 형성되는 것으로 알려져 있다. 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)은 소결 시에 결정립 사이에 기공(pore) 또는 보이드(void)를 형성하는 원인이 되고 있다. 붕소산화물(B2O3)에 의해 결정립 사이에 형성된 기공(pore) 또는 보이드(void)는 결정 성장을 방해하고, 탄화붕소(B4C) 소결체의 기계적 특성(mechanical property)을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다. 따라서, 탄화붕소(B4C) 소결체의 물성에 악영향을 미치는 붕소산화물(B2O3)를 탄화붕소(B4C)로부터 효과적으로 제거하는 방법에 대한 연구가 필요하다.
It is also known that boron oxide (B 2 O 3 ) is formed on the surface of boron carbide (B 4 C). Boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) causes pores or voids to form between crystal grains during sintering. Pores or voids formed between the grains by boron oxide (B 2 O 3 ) may interfere with crystal growth and degrade the mechanical properties of the boron carbide (B 4 C) sintered body. Works. Therefore, there is a need for a method of effectively removing boron oxide (B 2 O 3 ) from boron carbide (B 4 C) which adversely affects the physical properties of the boron carbide (B 4 C) sintered body.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 소결조제를 첨가함이 없이 소결함으로써 2차상이 형성되지 않을 뿐만 아니라 환원 가스 분위기에서 소결하여 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 함으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않으므로 결정 상태가 우수하고 소결체의 기계적 특성도 우수하며 입자 사이의 간격이 매우 조밀한 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법 및 이에 의해 제조된 고밀도 탄화붕소 소결체를 제공함에 있다.
The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is not only the secondary phase is formed by sintering without adding a sintering aid but also sintered in a reducing gas atmosphere to boron carbide (B 4 C) Since boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface is reduced and decomposed, no pores or voids are formed between the crystal grains, so the crystal state is excellent, and the mechanical properties of the sintered body are excellent. The present invention provides a method for producing a high density boron carbide sintered body having a very high spacing and a high density boron carbide sintered body produced thereby.
본 발명은, (a) 탄화붕소 분말을 퍼니스에 구비된 몰드에 넣고 압력을 가하여 원하는 형태의 성형체로 성형하는 단계와, (b) 펌프를 작동시켜 퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 배기하고, 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하는 단계와, (c) 상기 퍼니스의 온도를 탄화붕소 분말의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도보다 높은 온도로 1차 상승시키는 단계와, (d) 상기 퍼니스의 온도를 붕소산화물이 휘발되는 온도보다 높고 탄화붕소의 용융 온도보다 낮은 소결 온도로 2차 상승시키는 단계와, (e) 상기 소결 온도에서 탄화붕소 분말의 성형체에 압력을 가하면서 환원 가스 분위기인 수소(H2) 가스 분위기에서 탄화붕소를 소결시키는 단계 및 (f) 퍼니스를 냉각하여 탄화붕소 소결체를 얻는 단계를 포함하며, 상기 (d) 단계에서 퍼니스의 온도 상승 속도는 상기 (c) 단계에서의 퍼니스의 온도 상승 속도보다 작게 설정하여 목표하는 소결 온도로 서서히 올려줌으로써 탄화붕소 분말 성형체에 열적 스트레스가 최소로 작용되게 하고, 환원 가스 분위기에서 소결하여 탄소붕소 분말 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 하는 것을 특징으로 하는 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법을 제공한다. The present invention comprises the steps of (a) placing the boron carbide powder into a mold provided in the furnace and applying pressure to form a molded body of a desired shape, (b) operating a pump to exhaust the impurity gas present in the furnace, and reducing agent gas. Supplying phosphorus hydrogen (H 2 ) gas; and (c) raising the temperature of the furnace to a temperature higher than the temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the boron carbide powder is volatilized And (d) secondly raising the temperature of the furnace to a sintering temperature higher than the temperature at which the boron oxide is volatilized and lower than the melting temperature of boron carbide, and (e) applying pressure to the formed body of boron carbide powder at the sintering temperature. of the furnace, and in step (f) includes a step to cool the furnace to obtain a sintered boron carbide, the (d) sintering the boron carbide in a reducing gas atmosphere of hydrogen (H 2) gas atmosphere, and The rising rate is set lower than the temperature rising rate of the furnace in the step (c) and gradually raised to the target sintering temperature to minimize thermal stress on the boron carbide powder compact, and sintering in a reducing gas atmosphere It provides a method for producing a high density boron carbide sintered body, characterized in that the boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the powder is reduced and decomposed.
상기 붕소산화물이 휘발되는 온도는 1200∼1400℃이고, 상기 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도보다 높은 온도는 1400∼1600℃이며, 상기 (c) 단계에서 퍼니스의 온도 상승 속도는 5∼50℃/min 범위로 설정하고, 상기 (d) 단계에서 퍼니스의 온도 상승 속도는 1∼30℃/min 범위로 설정하는 것이 바람직하다. The temperature at which the boron oxide is volatilized is 1200 to 1400 ° C., and the temperature higher than the temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized is 1400 to 1600 ° C., and the rate of temperature rise of the furnace in step (c) is 5. The temperature rise rate of the furnace in the step (d) is preferably set in the range of 1 to 30 ° C / min.
상기 소결 온도는 1800∼2100℃ 이고, 상기 소결은 소결체의 미세구조 및 입자 크기를 고려하여 10분∼3시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. The sintering temperature is 1800 ~ 2100 ℃, the sintering is preferably carried out for 10 minutes to 3 hours in consideration of the microstructure and particle size of the sintered body.
상기 (e) 단계에서 상기 탄화붕소 분말의 성형체에 가해지는 압력은 20∼60MPa 범위이고, 상기 몰드의 상부와 하부에서 상하 양방향 압축을 실시하는 것이 바람직하다. In the step (e), the pressure applied to the molded body of the boron carbide powder is in the range of 20 to 60 MPa, and it is preferable to perform the up and down bidirectional compression in the upper and lower portions of the mold.
상기 몰드는 탄화붕소의 탄소 성분과 동일한 재질인 그라파이트 재질로 이루어진 몰드를 사용하는 것이 바람직하다. The mold is preferably a mold made of a graphite material of the same material as the carbon component of boron carbide.
또한, 본 발명은 상기 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법을 이용하여 제조된 탄화붕소 소결체로서 겉보기 밀도가 이론밀도의 90%보다 큰 고밀도 탄화붕소 소결체를 제공한다.
In addition, the present invention provides a high-density boron carbide sintered body of which the apparent density is greater than 90% of the theoretical density as the boron carbide sintered body manufactured using the method for producing the high-density boron carbide sintered body.
본 발명에 의하여 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체는 겉보기 밀도가 이론밀도의 90% 이상이며, 입자 사이의 간격이 매우 조밀하고 기공이 거의 형성되지 않은 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체이다. The boron carbide (B 4 C) produced according to the present invention sintered body is the apparent density is more than 90% of the theoretical density, the distance between the particles is very dense and pore are not substantially form a high density boron carbide (B 4 C) sintered body .
또한, 소결조제를 첨가하지 않고 소결이 이루어지므로 탄화붕소(B4C) 소결체 내에는 2차상(secondary phase)이 형성되지 않으며, 따라서 탄화붕소(B4C) 소결체의 경도와 기계적 특성이 매우 우수하다. In addition, since it made of sintering without the addition of a sintering aid in the boron carbide (B 4 C) sintered body has a second phase (secondary phase) is not formed, and thus a very good hardness and mechanical properties of boron carbide (B 4 C) sintered body Do.
환원 가스 분위기에서 소결하여 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 함으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않게 되어 결정 상태가 우수하고, 탄화붕소(B4C) 소결체의 기계적 특성(mechanical property)도 매우 우수하다.
By sintering in a reducing gas atmosphere, boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) is reduced and decomposed, so that no pores or voids are formed between grains. The state is excellent, and the mechanical properties of the boron carbide (B 4 C) sintered body are also excellent.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소붕소(B4C) 소결체를 형성하기 위한 소결 공정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 2는 실시예 4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 X선 회절(XRD) 패턴을 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 상대밀도(relative density)를 보여주는 그래프이다.
도 4는 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 평균 입자 크기(average grain size)를 보여주는 그래프이다.
도 5는 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 비커스 경도(vickers hardness)를 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 꺽임강도(flexural strength)를 보여주는 그래프이다. 1 is a view illustrating a sintering process for forming a carbon boron (B 4 C) sintered body according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a graph showing an X-ray diffraction (XRD) pattern of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared in Example 4. FIG.
3 is a graph showing the relative density of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 according to the sintering temperature.
Figure 4 is a graph showing the average grain size (average grain size) according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 .
5 is a graph showing Vickers hardness according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 ;
Figure 6 is a graph showing the flexural strength (flexural strength) according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It doesn't happen.
본 발명은 소결조제를 첨가함이 없이 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하기 위하여 열간가압(hot pressing) 소결법을 이용한다. The present invention uses a hot pressing sintering method to produce a high density boron carbide (B 4 C) sintered body without adding a sintering aid.
상기 열간가압소결법은 높은 압력을 가하면서 소결하는 방법으로써 상압소결보다는 낮은 온도에서도 소결이 가능하며, 소결 시간도 짧아지는 장점이 있다. 탄화붕소(B4C)를 소결조제 없이 상압소결하기는 어려우며, 상압소결을 이용하기 위해서는 탄화붕소(B4C)의 융점 근처까지 온도를 올려 고온에서 소결하여야 하는 단점이 있다. 또한, 상압소결에 의해 소결된 탄화붕소(B4C) 소결체는 상대 밀도가 낮고, 열간가압소결법에 의한 경우에 비하여 기계적 특성이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 상압소결을 이용할 경우 탄화붕소(B4C)의 융점 근처까지 온도를 올려 소결하여야 하므로 에너지 소모가 많고 소결 시편에 열적 스트레스(thermal stress)를 너무 많이 가하게 된다. The hot pressing sintering method is a method of sintering while applying a high pressure, and sintering is possible at a lower temperature than atmospheric pressure sintering, and the sintering time is shortened. It is difficult to sinter boron carbide (B 4 C) at atmospheric pressure without a sintering aid, and in order to use atmospheric sintering, there is a disadvantage in that the temperature is raised to near the melting point of boron carbide (B 4 C) at high temperature. In addition, the boron carbide (B 4 C) sintered body sintered by atmospheric sintering has a low relative density and a problem in that mechanical properties are inferior as compared with the case of the hot-pressing sintering method. In addition, in the case of using atmospheric sintering, the temperature must be raised to near the melting point of boron carbide (B 4 C), which causes high energy consumption and excessive thermal stress on the sintered specimen.
따라서, 본 발명에서는 열간가압소결법을 이용함으로써, 입자사이의 간격이 매우 조밀해져서 기공이 거의 형성되지 않는 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체가 제조될 수 있다. Therefore, in the present invention, by using the hot pressing sintering method, a high density boron carbide (B 4 C) sintered body in which the spacing between particles is very dense and little pores can be produced can be produced.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체의 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a high density boron carbide (B 4 C) sintered body according to a preferred embodiment of the present invention will be described.
먼저, 탄화붕소(B4C) 분말을 준비한다. 탄화붕소(B4C) 분말의 입경은 탄화붕소(B4C) 소결체의 밀도, 기계적 특성 등에 영향을 미치므로 이를 고려하여 탄화붕소(B4C) 분말의 입경을 선택한다. 바람직하게는 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체가 연마제 또는 절삭용구 등에 사용되는 것을 고려하여 입자의 지름이 1㎛ 이하인 구형 탄화붕소(B4C) 분말을 사용하는 것이 바람직하다. First, boron carbide (B 4 C) powder is prepared. Since the particle size of the boron carbide (B 4 C) powder affects the density, mechanical properties, etc. of the boron carbide (B 4 C) sintered body, the particle diameter of the boron carbide (B 4 C) powder is selected in consideration of this. Preferably, it is preferable to use spherical boron carbide (B 4 C) powder having a particle diameter of 1 µm or less in consideration of the use of a high density boron carbide (B 4 C) sintered body in an abrasive or cutting tool.
탄화붕소(B4C) 분말에 대하여 열간가압소결법을 이용하여 소결한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소붕소(B4C) 소결체를 형성하기 위한 소결 공정을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 이하에서 열간가압소결법을 이용한 소결 공정을 상세하게 설명한다. The boron carbide (B 4 C) powder is sintered by hot pressing sintering. 1 is a view illustrating a sintering process for forming a carbon boron (B 4 C) sintered body according to a preferred embodiment of the present invention. Hereinafter, the sintering process using the hot pressing sintering method will be described in detail.
도 1을 참조하면, 탄화붕소(B4C) 분말을 퍼니스(Furnace)에 구비된 몰드에 넣고 압력을 가하여 원하는 형태의 성형체로 성형한다. 상기 몰드는 실린더 또는 각기둥 형상으로 구비될 수 있으며, 상기 몰드 내에 탄화붕소(B4C) 분말을 장입한 후 몰드 상부와 하부에서 상하 양방향 압축을 실시하거나 일측 압축을 실시하여 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 이때 탄화붕소(B4C) 분말에 가해지는 압력(상기 몰드에 의해 압축되는 압력)은 20∼60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 탄화붕소(B4C) 분말 입자 사이에 공극이 많게 되므로 원하는 고밀도의 탄소붕소 소결체를 얻기 어렵고 가압 압력이 너무 큰 경우에는 그 이상의 효과는 기대할 수 없고 고압에 따른 몰드, 유압장치 등의 설계가 추가됨으로써 설비 제작 비용이 증가할 수 있다. 상기 몰드는 탄화붕소(B4C)의 성분을 이루는 탄소(C)와 동일한 재질인 그라파이트(graphite) 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 다른 재질로 이루어진 몰드를 사용하는 경우에는 후속의 소결 과정에서 불순물로 작용될 수도 있기 때문이다. Referring to Figure 1, boron carbide (B 4 C) powder is put into a mold provided in the furnace (Furnace) by applying pressure to form a molded body of the desired shape. The mold may be provided in a cylinder or prismatic shape, and after charging boron carbide (B 4 C) powder in the mold, the mold may be formed into a desired shape by performing bidirectional compression up or down on the upper and lower molds or by performing one-side compression. have. In this case, the pressure applied to the boron carbide (B 4 C) powder (pressure compressed by the mold) is preferably about 20 to 60 MPa. If the pressurization pressure is too small, the boron carbide (B 4 C) powder particles Since there are many voids, it is difficult to obtain a desired high-density carbon boron sintered body, and if the pressurization pressure is too large, further effects cannot be expected, and the manufacturing cost of equipment may be increased by adding a mold, a hydraulic device, etc. according to a high pressure. The mold is preferably made of graphite (graphite) material of the same material as the carbon (C) constituting the component of boron carbide (B 4 C), in the case of using a mold made of a different material as impurities in the subsequent sintering process It may work.
퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프(미도시)를 작동시켜 진공 상태(예컨대, 1×10-1∼1×10-3 Torr 정도)로 될 때까지 배기한다. A rotary pump (not shown) is operated to remove the impurity gas present in the furnace and to evacuate until it reaches a vacuum state (for example, about 1 × 10 −1 to 1 × 10 −3 Torr).
퍼니스 내에 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하고, 상기 퍼니스의 온도를 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도(1200∼1400℃)보다 높고 목표하는 소결온도(1800∼2100℃)보다 낮은 온도(예컨대, 1400∼1600℃)로 상승시킨다(도 1의 T1 구간). 상기 수소 가스는 0.1∼10㎖/min 정도의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 퍼니스의 상승 온도는 5∼50℃/min 정도인 것이 바람직한데, 퍼니스의 램프-업(ramp-up) 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 퍼니스의 램프-업 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 치밀한 소결이 이루어지지 않으므로 상기 범위의 램프-업 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 탄화붕소(B4C)의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)은 일반적으로 1200∼1400℃ 이상의 온도에서 열분해되어 휘발되며, 따라서 퍼니스 온도가 1400℃ 이상이 되면 붕소산화물(B2O3)은 열분해가 일어나기 시작한다. Hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing agent gas, is supplied into the furnace, and the temperature of the furnace is higher than the temperature (1200 to 1400 ° C.) at which the boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized and the target sintering temperature (1800 to 2100 ° C.) The temperature is raised to a lower temperature (eg, 1400-1600 ° C.) (T1 section in FIG. 1). The hydrogen gas is preferably supplied at a flow rate of about 0.1 to 10 ml / min. It is preferable that the temperature rise of the furnace is about 5 to 50 ° C / min. If the ramp-up speed of the furnace is too slow, it takes a long time and the productivity decreases, and the ramp-up speed of the furnace is too fast. It is preferable to increase the temperature of the furnace at a ramp-up rate in the above range because no dense sintering is achieved by rapid temperature rise. Boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the boron carbide (B 4 C) is generally pyrolyzed and volatilized at a temperature of 1200 to 1400 ℃ or more, and thus boron oxide (B 2 O) when the furnace temperature is 1400 ℃ or more 3 ) pyrolysis starts to occur.
상기 퍼니스의 온도를 탄화붕소(B4C)의 용융 온도(2450℃)보다 낮은 온도인 목표하는 소결 온도인 1800∼2100℃로 상승시킨다(도 1의 T2 구간). 이때, 퍼니스의 상승 온도는 1∼30℃/min 정도인 것이 바람직한데, 퍼니스의 램프-업(ramp-up) 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 퍼니스의 램프-업 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 소결체의 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 상기 범위의 램프-업 속도로 퍼니스의 온도를 올리는 것이 바람직하다. 도 1의 T2 구간에서의 램프-업 속도는 도 1의 T1 구간에서의 램프-업 속도보다 느린 것이 바람직한데, 이는 도 1의 T2 구간에서 서서히 소결 온도로 올려줌으로써 탄화붕소(B4C) 분말 성형체에 열적 스트레스(thermal stress)가 최소로 작용하게 하기 위함이다. The furnace temperature is raised to a target sintering temperature of 1800-2100 ° C., which is lower than the melting temperature (2450 ° C.) of boron carbide (B 4 C) (T2 section in FIG. 1). At this time, it is preferable that the rising temperature of the furnace is about 1 to 30 ° C / min. If the ramp-up speed of the furnace is too slow, it takes a long time and the productivity decreases, and the ramp-up speed of the furnace is too high. It is preferable to raise the temperature of the furnace at a ramp-up speed in the above range because it may adversely affect the characteristics of the sintered body by rapid temperature rise. It is preferable that the ramp-up rate in the T2 section of FIG. 1 is slower than the ramp-up rate in the T1 section of FIG. 1, which is gradually increased to the sintering temperature in the T2 section of FIG. 1 by boron carbide (B 4 C) powder. This is to minimize the thermal stress on the molded body.
퍼니스의 온도가 목표하는 소결 온도로 상승하면, 일정 시간(예컨대, 10분∼3시간)을 유지하여 탄화붕소(B4C)를 소결시킨다(도 1의 T3 구간). 퍼니스에 환원제 가스인 수소(H2) 가스가 주입되므로 탄화붕소(B4C)의 표면에 일부 잔류하는 붕소산화물(B2O3)이 아래의 반응식 1과 같이 환원되게 된다. 상기 환원제 가스는 붕소산화물(B2O3)이 충분히 환원될 수 있는 정도의 양을 흘려주는데, 예컨대, 0.1∼10㎖/min 정도의 유량으로 공급한다. 붕소산화물(B2O3)은 환원제 가스인 수소(H2) 가스에 의해 아래의 반응식 1에 나타난 바와 같이 환원되게 된다. When the temperature of the furnace rises to the target sintering temperature, boron carbide (B 4 C) is sintered for a predetermined time (for example, 10 minutes to 3 hours) (T3 section in FIG. 1). Since hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing agent gas, is injected into the furnace, boron oxide (B 2 O 3 ) partially remaining on the surface of boron carbide (B 4 C) is reduced as in Scheme 1 below. The reducing agent gas flows in an amount such that boron oxide (B 2 O 3 ) can be sufficiently reduced, for example, it is supplied at a flow rate of about 0.1 ~ 10ml / min. The boron oxide (B 2 O 3 ) is reduced by hydrogen (H 2 ) gas, which is a reducing agent gas, as shown in Scheme 1 below.
[반응식 1]Scheme 1
B2O3 + 3H2 → 2B + 3H2O B 2 O 3 + 3H 2 → 2B + 3H 2 O
반응식 1에 나타난 바와 같이 탄화붕소(B4C)가 소결이 이루어지면서 동시에 붕소산화물(B2O3)은 붕소(B)로 환원되게 된다. 이때, 붕소산화물(B2O3)의 환원에 의해 생성된 반응부산물인 수증기(H2O)은 증발되게 된다. 환원 가스 분위기에서 탄화붕소(B4C)를 소결함으로써 탄화붕소(B4C) 표면에 일부 잔류하는 붕소산화물(B2O3)을 환원시켜 완전히 분해되게 할 수 있는 장점이 있다. 탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)을 소결 과정에서 완전히 제거됨으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않으므로 결정 상태가 우수하고 소결체의 기계적 특성도 우수하며 입자 사이의 간격이 매우 조밀한 고밀도 탄화붕소 소결체를 제조할 수가 있다. As shown in Scheme 1, while boron carbide (B 4 C) is sintered, boron oxide (B 2 O 3 ) is reduced to boron (B). At this time, water vapor (H 2 O) which is a reaction by-product generated by reduction of boron oxide (B 2 O 3 ) is evaporated. By sintering boron carbide (B 4 C) in a reducing gas atmosphere, boron oxide (B 2 O 3 ) partially remaining on the surface of boron carbide (B 4 C) may be reduced to be completely decomposed. Since boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) is completely removed during the sintering process, pores or voids are not formed between the grains, so the crystalline state is excellent and It is possible to produce a high density boron carbide sintered body having excellent mechanical properties and very close spacing between particles.
소결 온도는 탄화붕소(B4C) 입자의 확산, 입자들 사이의 네킹(necking) 등을 고려하여 1800∼2100℃ 정도인 것이 바람직한데, 소결 온도가 너무 높은 경우에는 과도한 입자 성장으로 인해 기계적 물성이 저하될 수 있고, 소결 온도가 너무 낮은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있으므로 상기 범위의 소결 온도에서 소결시키는 것이 바람직하다. 소결 온도에 따라 소결체의 미세구조, 입경 등에 차이가 있는데, 소결 온도가 낮은 경우 표면 확산이 지배적인 반면 소결 온도가 높은 경우에는 격자 확산 및 입계 확산까지 진행되기 때문이다. 소결 시간은 일반적인 열처리를 위한 퍼니스를 사용하는 경우에는 10분∼3시간 정도인 것이 바람직한데, 소결 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소결 효과를 기대하기 어렵고 소결체 입자의 크기가 커지게 되며, 소결 시간이 작은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 특성이 좋지 않을 수 있다. 소결시 탄화붕소(B4C) 분말 성형체에 가해지는 압력은 20∼60MPa 정도인 것이 바람직한데, 가압 압력이 너무 작은 경우에는 원하는 고밀도의 탄소붕소 소결체를 얻기 어렵고 가압 압력이 너무 큰 경우에는 소결 공정이 완료된 후의 소결체에 균열 등이 발생할 수 있다. Sintering temperature is preferably about 1800 ~ 2100 ℃ in consideration of the diffusion of boron carbide (B 4 C) particles, necking between the particles, etc. If the sintering temperature is too high, mechanical properties due to excessive grain growth If the sintering temperature is too low and the sintering temperature is too low, the sintered body may not be good due to incomplete sintering, and therefore, sintering at the sintering temperature in the above range is preferable. According to the sintering temperature, there are differences in the microstructure, particle size, etc. of the sintered body, because the surface diffusion is dominant when the sintering temperature is low, but the lattice diffusion and grain boundary diffusion are progressed when the sintering temperature is high. It is preferable that the sintering time is about 10 minutes to 3 hours when using a furnace for general heat treatment, but when the sintering time is too long, it is not only economical because it consumes a lot of energy and it is difficult to expect further sintering effects. When the size of the sintered body becomes large and the sintering time is small, the characteristics of the sintered body may be poor due to incomplete sintering. The pressure applied to the boron carbide (B 4 C) powder compact during sintering is preferably about 20 to 60 MPa. If the pressurization pressure is too small, it is difficult to obtain a desired high-density carbon boron sintered body and the sintering process if the pressurization pressure is too large. Cracks and the like may occur in the sintered body after this completion.
소결 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 탄화붕소(B4C) 소결체를 언로딩한다. 상기 퍼니스의 온도를 하강시킬 때 800∼1200℃ 정도의 온도가 되면 환원제 가스인 수소 가스의 공급을 차단하는 것이 바람직하다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하거나, 임의적으로 온도 하강률(예컨대, 10℃/min)을 설정하여 냉각되게 할 수도 있다. After performing the sintering process, the furnace temperature is lowered to unload the boron carbide (B 4 C) sintered body. When the temperature of the furnace is lowered to a temperature of about 800 to 1200 ° C., it is preferable to cut off the supply of hydrogen gas which is a reducing agent gas. The furnace cooling may be allowed to cool down in a natural state by turning off the furnace power source, or to set a temperature drop rate (eg, 10 ° C./min) arbitrarily.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체는 겉보기 밀도가 이론밀도의 90% 이상이며, 입자 사이의 간격이 매우 조밀하고 기공이 거의 형성되지 않은 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체이다. The boron carbide (B 4 C) sintered body manufactured according to the preferred embodiment of the present invention has an apparent density of 90% or more of the theoretical density, a very high density of boron carbide (B 4 ) with a very small gap between particles, and little pores. C) It is a sintered compact.
또한, 소결조제를 첨가하지 않고 소결이 이루어지므로 탄화붕소(B4C) 소결체 내에는 2차상(secondary phase)이 형성되지 않으며, 따라서 탄화붕소(B4C) 소결체의 경도와 기계적 특성이 매우 우수하다. In addition, since it made of sintering without the addition of a sintering aid in the boron carbide (B 4 C) sintered body has a second phase (secondary phase) is not formed, and thus a very good hardness and mechanical properties of boron carbide (B 4 C) sintered body Do.
탄화붕소(B4C)에 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)은 소결 과정에서 환원됨으로써 결정립 사이에는 기공(pore)이나 보이드(void)가 형성되지 않게 되어 결정 상태가 우수하고, 탄화붕소(B4C) 소결체의 기계적 특성(mechanical property)도 매우 우수하다.
Boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of boron carbide (B 4 C) is reduced during the sintering process so that no pores or voids are formed between the crystal grains, and thus the crystal state is excellent. The mechanical properties of the boron (B 4 C) sintered body are also very good.
본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다.The invention is described in more detail with reference to the following examples, which do not limit the invention.
<실시예 1>≪ Example 1 >
0.8㎛의 평균 입경을 갖는 허만 씨 스타크(Herman C Stark)사의 탄화붕소(B4C) 분말(제품명 C Grade)을 준비하였다. A boron carbide (B 4 C) powder (product name C Grade) manufactured by Herman C Stark having an average particle diameter of 0.8 μm was prepared.
아래의 표 1에 허만 씨 스타크사의 탄화붕소(B4C) 분말의 특성을 나타내었다. Table 1 below shows the characteristics of the boron carbide (B 4 C) powder of Herman C. Stark.
입경(particle size)
Particle size
D 50%의 입자(particle)≤0.8㎛
D 10%의 입자(particle)≤0.2㎛
50% particle ≤ 0.8 μm
불순물 레벨(impurity levels)
Impurity levels
최대 0.7wt%의 질소(N)
최대 0.05wt%의 철(Fe)
최대 0.15wt%의 실리콘(Si)
최대 0.05wt%의 알루미늄(Al)
최대 0.5wt%의 다른 불순물Up to 1.7 wt% oxygen (O)
Up to 0.7 wt% nitrogen (N)
0.05 wt% iron (Fe)
Up to 0.15wt% Silicon (Si)
0.05 wt% aluminum (Al)
Other impurities up to 0.5wt%
상기 탄화붕소(B4C) 분말을 퍼니스(Furnace)에 구비된 실린더 형태의 몰드에 넣고 몰드 상부와 하부에서 상하 양방향 압력을 가하여 성형체로 성형하였다. 이때, 상기 몰드에 의해 압축되는 압력은 40 MPa 정도였다. 상기 몰드는 그라파이트(graphite) 재질의 몰드를 사용하였다. The boron carbide (B 4 C) powder was placed in a cylindrical mold provided in a furnace (Furnace) was formed into a molded body by applying the upper and lower bidirectional pressure from the upper and lower mold. At this time, the pressure compressed by the mold was about 40 MPa. The mold used a mold made of graphite (graphite).
퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 불순물 가스를 배기하고, 로터리 펌프의 작동을 중단하고 퍼니스 내에 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하였다. 상기 수소(H2) 가스는 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하였다.In order to remove the impurity gas present in the furnace and create a vacuum state, the rotary pump was operated to exhaust the impurity gas, the rotary pump was stopped, and hydrogen (H 2 ) gas, which was a reducing agent gas, was supplied into the furnace. The hydrogen (H 2 ) gas was supplied at a flow rate of about 5 ml / min.
퍼니스의 둘레를 감싸고 있는 가열 수단(미도시)에 전원을 공급하여 퍼니스를 가열하여 상기 퍼니스의 온도를 1500℃로 상승시켰다. 이때, 퍼니스의 상승 온도는 20℃/min 정도 였다. Power was supplied to a heating means (not shown) surrounding the circumference of the furnace to heat the furnace to raise the temperature of the furnace to 1500 ° C. At this time, the rising temperature of the furnace was about 20 ° C / min.
퍼니스의 온도를 1500℃로 상승시킨 후, 상기 퍼니스의 온도를 탄화붕소(B4C)의 용융 온도(2450℃)보다 낮은 온도인 1900℃로 상승시켰다. 이때, 퍼니스의 상승 온도는 5℃/min 정도 였다. After raising the temperature of the furnace to 1500 ° C., the temperature of the furnace was raised to 1900 ° C., which was lower than the melting temperature (2450 ° C.) of boron carbide (B 4 C). At this time, the rising temperature of the furnace was about 5 ° C / min.
퍼니스의 온도를 1900℃로 상승시킨 후, 1시간 동안을 유지하여 탄화붕소(B4C)를 소결시켰다. 소결시 탄화붕소(B4C) 분말 성형체에 가해지는 압력은 40MPa 정도로 일정하게 유지하였다. 소결시 수소(H2) 가스는 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하였다.After raising the temperature of the furnace to 1900 ° C., boron carbide (B 4 C) was sintered for 1 hour. The pressure applied to the boron carbide (B 4 C) powder compact during sintering was kept constant at about 40 MPa. During sintering, hydrogen (H 2 ) gas was supplied at a flow rate of about 5 mL / min.
소결 공정을 수행한 후, 상기 퍼니스 온도를 하강시켜 탄화붕소(B4C) 소결체를 언로딩하였다. 퍼니스의 온도를 하강시킬 때 1000℃ 정도의 온도가 되었을 때 환원제 가스인 수소 가스의 공급을 차단하였다. 상기 퍼니스 냉각은 퍼니스 전원을 차단하여 자연적인 상태로 냉각되게 하였다.
After performing the sintering process, the furnace temperature was lowered to unload the boron carbide (B 4 C) sintered body. When the temperature of the furnace was decreased, the supply of hydrogen gas, which is a reducing agent gas, was cut off when the temperature reached about 1000 ° C. The furnace cooling shuts down the furnace power, allowing the furnace to cool in its natural state.
<실시예 2><Example 2>
소결 온도를 1950℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A high-density boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was set to 1950 ° C and sintered.
<실시예 3><Example 3>
소결 온도를 2000℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A high-density boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was set to 2000 ° C. and sintered.
<실시예 4><Example 4>
소결 온도를 2050℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 고밀도 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A high-density boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was set to 2050 ° C and sintered.
<비교예 1>Comparative Example 1
실시예 1에서 사용한 동일한 탄화붕소(B4C) 분말을 준비하고, 실시예 1과 동일한 동일한 몰드를 사용하여 동일한 방법으로 성형체를 만들었다.The same boron carbide (B 4 C) powder used in Example 1 was prepared, and a molded body was made in the same manner using the same mold as in Example 1.
퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 제거하고 진공 상태를 만들기 위하여 로터리 펌프를 작동시켜 불순물 가스를 배기하고, 로터리 펌프의 작동을 중단하고 퍼니스 내에 아르곤(Ar) 가스를 공급하였다. 상기 아르곤(Ar) 가스는 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하였다.In order to remove the impurity gas present in the furnace and create a vacuum state, the rotary pump was operated to exhaust the impurity gas, the rotary pump was stopped, and argon (Ar) gas was supplied into the furnace. The argon (Ar) gas was supplied at a flow rate of about 5 ml / min.
이후의 공정은 실시예 1에서와 동일한 방법으로 진행하고, 소결 동안에는 실시예 1과 달리 아르곤(Ar) 가스를 5㎖/min 정도의 유량으로 공급하여 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다. 퍼니스의 온도를 하강시킬 때 1000℃ 정도의 온도가 되었을 때 아르곤(Ar) 가스의 공급을 차단하였다.
Subsequent processes were carried out in the same manner as in Example 1, and during sintering, unlike Example 1, argon (Ar) gas was supplied at a flow rate of about 5 ml / min to prepare a boron carbide (B 4 C) sintered body. When the furnace temperature was lowered, the supply of argon (Ar) gas was cut off when the temperature reached about 1000 ° C.
<비교예 2>Comparative Example 2
소결 온도를 1950℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the sintering temperature was set to 1950 ° C and sintered.
<비교예 3>Comparative Example 3
소결 온도를 2000℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the sintering temperature was set to 2000 ° C. and sintered.
<비교예 4><Comparative Example 4>
소결 온도를 2050℃로 설정하여 소결한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탄화붕소(B4C) 소결체를 제조하였다.
A boron carbide (B 4 C) sintered body was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the sintering temperature was set to 2050 ° C and sintered.
도 2는 실시예 4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 X선 회절(X-ray Diffraction; 이하 'XRD'라 함) 패턴을 보여주는 그래프이다. 도 2에서 (a)는 실시예 4에서 사용된 탄화붕소(B4C) 분말의 XRD 패턴이고, (b)는 실시예 4에서 사용된 탄화붕소(B4C) 분말을 실시예 1과 동일하게 수소(H2) 가스를 공급하여 환원 분위기에서 1200℃의 온도로 1시간 동안 열처리한 경우의 XRD 패턴이며, (c)는 실시예 4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 XRD 패턴을 보여주는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing an X-ray diffraction (hereinafter referred to as 'XRD') pattern of the boron carbide (B 4 C) sintered body manufactured according to Example 4. FIG. In Figure 2 (a) is a XRD pattern of boron carbide (B 4 C) powder used in Example 4, (b) is equal to the boron carbide (B 4 C) powder used in Example 4 and Example 1 XRD pattern when the hydrogen (H 2 ) gas is supplied and heat-treated for 1 hour at a temperature of 1200 ℃ in a reducing atmosphere, (c) is XRD of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Example 4 A graph showing a pattern.
도 2를 참조하면, (a)에 나타난 바와 같이 탄화붕소(B4C) 분말에서는 붕소산화물(B2O3)의 피크가 나타남으로써 탄화붕소(B4C) 분말의 표면에는 붕소산화물(B2O3)이 존재한다는 것을 확인할 수 있으며, (b) 및 (c)에서는 붕소산화물(B2O3)의 피크가 나타나지 않음으로써 붕소산화물(B2O3)이 제거되었음을 확인할 수 있다. 2, the boron carbide (B 4 C) powder, the boron oxide (B 2 O 3) boron carbide (B 4 C), the boron oxide the surface of the powder by a peak appears in as shown in (a) (B 2 O 3) to check that it is present, (b) and (c), can be concluded that the boron oxide (b 2 O 3) a peak is not as boron oxide (b 2 O 3) is removed, not a.
도 3은 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 상대밀도(relative density)를 보여주는 그래프이다. 상대밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정한 것이다. 도 3에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 환원 가스 분위기인 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1∼4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1∼4에 비하여 상대밀도가 높게 나타났음을 알 수 있다. 3 is a graph showing the relative density of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 according to the sintering temperature. Relative density is measured using the Archimedes method. As shown in FIG. 3, when Examples 1 to 4 which sintered in a hydrogen gas atmosphere which is a reducing gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ) are sintered at the same sintering temperature, sintering was performed in an argon (Ar) gas atmosphere. It can be seen that the relative density is higher than that of Comparative Examples 1 to 4.
도 4는 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 평균 입자 크기(average grain size)를 보여주는 그래프이다. 도 4에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1∼4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1∼4에 비하여 평균 입자 크기가 작았음을 알 수 있다. Figure 4 is a graph showing the average grain size (average grain size) according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 . As shown in FIG. 4, when Examples 1 to 4, which were sintered in a hydrogen gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ), were sintered in an argon (Ar) gas atmosphere, the Comparative Examples 1 to 4 that were sintered in an argon (Ar) gas atmosphere were used. It can be seen that the average particle size was smaller than that of 4.
도 5는 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 비커스 경도(vickers hardness)를 보여주는 그래프이다. 도 5에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1∼4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1∼4에 비하여 비커스 경도가 높았음을 알 수 있다. 5 is a graph showing Vickers hardness according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 ; As shown in FIG. 5, Examples 1 to 4, which were sintered in a hydrogen gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ), were sintered in an argon (Ar) gas atmosphere when the sintering temperatures were the same. It can be seen that Vickers hardness was higher than that of 4.
도 6은 실시예 1∼4 및 비교예 1∼4에 따라 제조된 탄화붕소(B4C) 소결체의 소결 온도에 따른 꺽임강도(flexural strength)를 보여주는 그래프이다. 도 6에 나타난 바와 같이 붕소산화물(B2O3) 제거를 위해 수소 가스 분위기에서 소결을 실시한 실시예 1∼4가 소결 온도가 동일한 경우에는 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 소결을 실시한 비교예 1∼4에 비하여 꺽임강도가 높았음을 알 수 있다.
Figure 6 is a graph showing the flexural strength (flexural strength) according to the sintering temperature of the boron carbide (B 4 C) sintered body prepared according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 . As shown in FIG. 6, Examples 1 to 4, which were sintered in a hydrogen gas atmosphere to remove boron oxide (B 2 O 3 ), were sintered in an argon (Ar) gas atmosphere when the sintering temperatures were the same. It can be seen that the bending strength was higher than that of 4.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.
Claims (6)
(b) 펌프를 작동시켜 퍼니스 내에 존재하는 불순물 가스를 배기하고, 환원제 가스인 수소(H2) 가스를 공급하는 단계;
(c) 상기 퍼니스의 온도를 탄화붕소 분말의 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 휘발되는 온도보다 높은 온도로 1차 상승시키는 단계;
(d) 상기 퍼니스의 온도를 붕소산화물이 휘발되는 온도보다 높고 탄화붕소의 용융 온도보다 낮은 소결 온도로 2차 상승시키는 단계;
(e) 상기 소결 온도에서 탄화붕소 분말의 성형체에 압력을 가하면서 환원 가스 분위기인 수소(H2) 가스 분위기에서 탄화붕소를 소결시키는 단계; 및
(f) 퍼니스를 냉각하여 탄화붕소 소결체를 얻는 단계를 포함하며,
상기 (d) 단계에서 퍼니스의 온도 상승 속도는 상기 (c) 단계에서의 퍼니스의 온도 상승 속도보다 작게 설정하여 목표하는 소결 온도로 서서히 올려줌으로써 탄화붕소 분말 성형체에 열적 스트레스가 최소로 작용되게 하고, 환원 가스 분위기에서 소결하여 탄소붕소 분말 표면에 존재하는 붕소산화물(B2O3)이 환원되어 분해되게 하는 것을 특징으로 하는 고밀도 탄화붕소 소결체의 제조방법.
(a) placing the boron carbide powder into a mold provided in the furnace and applying pressure to form a molded body of a desired shape;
(b) operating the pump to exhaust the impurity gas present in the furnace and to supply hydrogen (H 2 ) gas which is a reducing agent gas;
(c) first raising the temperature of the furnace to a temperature higher than the temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the boron carbide powder is volatilized;
(d) secondly raising the temperature of the furnace to a sintering temperature higher than the temperature at which the boron oxide is volatilized and lower than the melting temperature of boron carbide;
(e) sintering boron carbide in a hydrogen (H 2 ) gas atmosphere, which is a reducing gas atmosphere while applying pressure to the molded body of boron carbide powder at the sintering temperature; And
(f) cooling the furnace to obtain a boron carbide sintered body,
In step (d), the temperature rising rate of the furnace is set to be lower than the temperature rising rate of the furnace in step (c), and gradually raised to a target sintering temperature, thereby minimizing thermal stress on the boron carbide powder compact. A method for producing a high density boron carbide sintered body characterized in that the boron oxide (B 2 O 3 ) present on the surface of the carbon boron powder is reduced and decomposed by sintering in a reducing gas atmosphere.
The method of claim 1, wherein the boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized at a temperature of 1200 to 1400 ° C, the temperature higher than the temperature at which the boron oxide (B 2 O 3 ) is volatilized is 1400 to 1600 ° C, In step (c), the temperature rising rate of the furnace is set in a range of 5 to 50 ° C./min, and in step (d), the temperature rising rate of the furnace is set in a range of 1 to 30 ° C./min. Method for producing a boron sintered body.
The method of claim 1, wherein the sintering temperature is 1800 ~ 2100 ℃, the sintering method of producing a high density boron carbide sintered body, characterized in that performed for 10 minutes to 3 hours in consideration of the microstructure and particle size of the sintered body.
The high-density boron carbide sintered body according to claim 1, wherein the pressure applied to the formed body of the boron carbide powder in the step (e) is in the range of 20 to 60 MPa, and the bi-directional compression is performed in the upper and lower portions of the mold. Manufacturing method.
The method of manufacturing a high density boron carbide sintered body according to claim 1, wherein the mold is made of a graphite material of the same material as the carbon component of boron carbide.
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