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KR-102960833-B1 - A composition of a casting part containing silicon nitride and a method of manufacturing a sintered body through this

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 다이캐스팅용 슬리브, 고온 용탕용 슬리브, 임펠러, 인발 다이스 등과 같은 주조용 부품을 제작할 경우, 고온에서도 내구성이 향상될 수 있도록 하는 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물에 관한 것으로서, 질화규소(Si 3 N 4 ), 알루미나(Al 2 O 3 ), 이산화세륨(CeO 2 ) 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물 일 수 있다.

Inventors

  • 서광호
  • 전형우

Assignees

  • 주식회사디케이에프씨

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250626

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 질화규소(Si 3 N 4 ), 알루미나(Al 2 O 3 ), 이산화세륨(CeO 2 ) 및 산화마그네슘(MgO)을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계;를 포함하며, 상기 혼합물을 제조하는 단계는, 상기 질화규소가 조성물 전체 중량에 대하여 85wt % 내지 95wt % 함유되며, 상기 알루미나가 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 5wt % 함유되고, 상기 산화마그네슘이 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 5wt % 함유되며, 상기 이산화세륨이 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 10wt % 함유되도록 하고, 상기 혼합물을 제조하는 단계는, 1차적으로 산화마그네슘과 알루미나가 혼합되도록 하는 제1 혼합 단계 및 산화마그네슘과 알루미나가 혼합된 혼합물과 질화규소 및 이산화세륨이 2차적으로 혼합되도록 하는 제2 혼합 단계를 더 구비하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서, 상기 소결체를 제조하는 단계는, 상기 산화마그네슘이 상기 알루미나와 협동하여 상기 조성물의 액상 형성 온도를 상대적으로 낮추어 조성물의 확산이 촉진되도록 하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 소결체를 제조하는 단계 이후, 상기 소결체에 열처리가 실시되도록 하는 열처리 단계;를 더 포함하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법.
  10. 제6항, 제8항, 제9항 중 어느 한 항의 방법을 통해 제조된 주조용 부품.

Description

질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물 및 이를 통해 소결체를 제조하는 방법{A composition of a casting part containing silicon nitride and a method of manufacturing a sintered body through this} 본 발명은 질화규소(Si3N4)를 포함하는 세라믹 조성물 및 이로부터 소결체를 제조하는 기술 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질화규소를 주성분으로 하여 다이캐스팅용 슬리브, 고온 용탕용 슬리브, 임펠러, 인발 다이스 등과 같은 주조용 부품을 제작함에 있어, 고온에서도 우수한 내열성과 내구성을 발휘할 수 있는 질화규소 기반 조성물 및 이를 통해 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 질화규소(Si3N4)는 우수한 기계적 강도와 낮은 밀도, 낮은 열팽창계수, 뛰어난 내화학성 및 내마모성을 가져 다양한 구조용 세라믹 분야에 적용되어 왔다. 그러나 Si3N₄는 강한 공유결합으로 인해 확산이 어려워 치밀한 소결체를 제조하는 데 복잡하고 비용이 높은 공정이 요구된다. 일반적으로 고밀도 질화규소(Si3N4)를 얻기 위해 소결 첨가제를 사용하거나, 고온/고압 소결법이 활용된다. 예를 들어, 고온 가압소결(hot pressing)이나 가스압 소결(gas-pressure sintering)을 통해 높은 밀도의 질화규소(Si3N4)를 제조할 수 있으나, 이러한 방법은 제조 비용이 크고 제작 가능한 부품 크기가 제한되며 복잡한 형상의 생산이 어려운 단점이 있다. 반응소결법(RBSN)의 경우, 다공도가 높아(대략 20%이상) 낮은 밀도의 제품이 얻어지므로 추가로 1800℃이상의 고온 소결을 거쳐야 하는 문제가 있다. 또한 가스압 소결로 장시간 고온 처리를 하면 열전도도는 향상되지만 결정립의 과도한 성장으로 기계적 강도가 저하되는 문제점이 보고되었다 질화규소(Si3N4)의 소결을 용이하게 하기 위해 통상 Y2O3, Al2O3 등의 소결 조제가 사용된다. 한편, 대한민국 공개특허 공보 제10-2024-0009035호에는 질화규소 잔부와 함께 3~11중량%의 소결 첨가제(Y2O3, Al2O3의 혼합물)를 포함하여 저온에서 상압 소결이 가능한 고강도 질화규소 세라믹 조성물이 개시되어 있다. 이처럼 Y2O3 와 Al2O3는 질화규소 표면의 실리카와 반응하여 액상상을 형성함으로써 비교적 낮은 온도(약 1700~1800℃)에서 치밀화를 유도하고 소결을 촉진하는 역할을 한다. 또한 TiO2를 첨가하는 경우 저온 소결 초기에 TiO2가 질화되어 TiN으로 변하면서 입자 재배열과 용해/석출을 통해 치밀화를 가속하고, 소결체의 미세구조상 입계에 분산된 TiN 입자가 반복 하중에 대한 피로 강도를 향상시킨다는 보고가 있다. 이러한 첨가제를 포함하는 종래의 질화규소 조성물의 대표적인 범위는 Si3N4약 88중량% 이상, AlO3 약 2~9중량%, Y2O3 약 1~7중량%, TiO2약 0.1~4중량% 등으로 알려져 있다. 이들 조성으로 얻은 소결체는 β-사이알론 계의 주상(柱狀) 결정립과 Y-Si-Al-O-N계의 유리상 입계 구조를 가지며, 실온 기계적 성질은 우수하나 고온 환경(약 800℃이상)에서의 산화나 열충격 하중, 장시간 사용에 따른 특성 저하가 개선 과제로 남아 있다. 예를 들면, 종래 기술에서 제안된 Si3N4 - Y2O3 - Al2O3 - TiO2조성의 소결체는 실온에서는 높은 강도를 보이나 800℃이상의 고온에서는 산화에 의해 표면 열화가 발생하고, 반복되는 열충격 및 마찰 환경에서 균열이 발생하여 부품 수명이 제한되는 문제가 있다. 특히 Y2O3 - Al2O3 계 첨가제가 형성하는 유리상 입계상은 고온에서 연화되어 구조 강도를 저하시킬 수 있고, 고온 산화 시 보호막 형성 능력이 제한적이다. 따라서 보다 고온에서 안정적으로 사용 가능하고, 열충격과 마찰 환경에서도 내구성이 향상된 질화규소 기반 신조성물의 개발이 요구된다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 제조된 주조용 부품을 예시적으로 설명하기 위한 사진. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분을 설명하기 위한 그래프. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분을 통해 소결체가 제조될 경우, 소결체의 특성을 설명하기 위한 그래프. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분, 즉 산화마그네슘의 첨가 유무를 비교하여 설명하기 위한 그래프. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분, 즉 산화마그네슘의 첨가 유무에 따른 소결체의 특성을 비교하여 설명하기 위한 그래프. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법을 전체적으로 설명하기 위한 순서도. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법을 구성하는 혼합하는 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 다이캐스팅용 슬리브, 고온 용탕용 슬리브, 임펠러, 인발 다이스 등과 같은 주조용 부품을 제작할 경우, 고온에서도 내구성이 향상될 수 있도록 하는 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물에 관한 것으로서, 질화규소(Si3N4), 알루미나(Al2O3),이산화세륨(CeO2) 및 산화마그네슘(MgO)을 포함하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물 일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 질화규소는, 조성물 전체 중량에 대하여 85wt % 내지 95wt % 함유되며, 상기 알루미나는, 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 5wt % 함유되고, 상기 산화마그네슘은, 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 5wt % 함유되며, 상기 이산화세륨은, 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 10wt % 함유되는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물 일 수 있다. 일례로, 상기 알루미나는, 조성물의 소결 시, 액상을 형성하여 소결이 촉진되도록 하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물 일 수 있다. 또한, 상기 산화마그네슘은, 상기 알루미나와 협동하여, 상기 조성물의 액상 형성 온도를 상대적으로 낮추어 조성물의 확산이 촉진되도록 하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물 일 수 있다. 또한, 상기 산화마그네슘은, α상의 질화규소가 β상의 질화규소로 상변이가 촉진되도록 하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법은 질화규소(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 이산화세륨(CeO2) 및 산화마그네슘(MgO)을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합물을 이용하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계;를 포함하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법 일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 혼합물을 제조하는 단계는, 상기 질화규소가 조성물 전체 중량에 대하여 85wt % 내지 95wt % 함유되며, 상기 알루미나가 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 5wt % 함유되고, 상기 산화마그네슘이 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 5wt % 함유되며, 상기 이산화세륨이 조성물 전체 중량에 대하여 1wt % 내지 10wt % 함유되도록 하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법 일 수 있다. 또한, 상기 소결체를 제조하는 단계는, 상기 산화마그네슘이 상기 알루미나와 협동하여, 상기 조성물의 액상 형성 온도를 상대적으로 낮추어 조성물의 확산이 촉진되도록 하는, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법 일 수 있다. 또한, 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법은 상기 소결체를 제조하는 단계 이후, 상기 소결체에 열처리가 실시되도록 하는 열처리 단계;를 더 포함할 수 있다. 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 제조된 주조용 부품인 인발 다이스의 초경팁을 나타낸 사진이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분을 설명하기 위한 그래프이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분을 통해 소결체가 제조될 경우, 소결체의 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분, 즉 산화마그네슘의 첨가 유무를 비교하여 설명하기 위한 그래프이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 구성하는 성분, 즉 산화마그네슘의 첨가 유무에 따른 소결체의 특성을 비교하여 설명하기 위한 그래프이다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법을 전체적으로 설명하기 위한 순서도이다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 질화규소를 포함하는 주조용 부품의 조성물을 통해 소결체를 제조하는 방법을 구성하는 혼합하는 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 순서도이다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 보다 명확하게 표현하기 위하여