Co₂O₃ 첨가가 알루미나의 액상소결 및 기계적 물성에 미치는 영향
Effect of Co₂O₃ addition on liquid phase sintering behavior and mechanical properties of commercial alumina
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초록
구조용 세라믹재료로 주로 사용되는 알루미나(Al₂O₃)는 우수한 기계적 특성을 위해 치밀한 미세구조를 요구하며, 소결온도를 낮추기 위해 상업적으로 액상소결(liquid phase sintering)이 적용된다. 본 연구에서는 SiO₂, MgO, CaO를 액상소결 조제로 사용하는 92 % 상업용 알루미나의 액상소결 시, 착색제(coloring agent)로 주로 사용되는 산화코발트(Co₂O₃)의 첨가량과 다양한 소결온도가 알루미나의 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 약 11 wt% 산화코발트첨가에 따라 1200°C부터 고상입자 재배열에 의한 수축이 시작되었고 1300°C 이상의 온도에서 용해 재석출 및 합체(coalescence)에 의한 알루미나의 결정립 성장이 관찰되었다. 1400°C 이상의 열처리 온도 혹은 과량의 Co₂O₃ 첨가는 액상의점도를 낮추어 소결밀도를 감소시켰고, 이와 함께 경도값도 감소하였다. 산화코발트를 11 wt% 첨가하여 1350°C에서 소결할경우, 3.86 g/cm³의 밀도와 12.32 GPa의 경도를 갖는 치밀한 소결체 제조가 가능하였다.
Abstract
Alumina (Al₂O₃) is mainly used as a structural ceramic material and to have good mechanical properties requires a dense microstructure. In commercial fabrication, the liquid phase sintering process is adjusted to reduce the sintering temperature of alumina. In this study, the effect of added amounts of cobalt oxide as a coloring agent on the microstructureand mechanical properties was investigated in the CaO-SiO₂-MgO-system liquid phase sintering of 92 % alumina at various sintering temperatures. When 11 wt% Co₂O₃ was added, a rearrangement of alumina particles, which is the main densification step in liquid phase sintering, occurred from a sintering temperature of 1200°C. Solution re-precipitation and coalescence steps followed from 1300°C with the grain growth of alumina particles. The addition of excess Co₂O₃ and sintering temperatures above 1400°C resulted in a decrease in sintered density and Vickers hardness, because of the low viscosity of the liquid phase. In 92 % alumina with the addition of 11 wt% Co₂O₃, a sintered density and Vickers hardness of 3.86 g/cm³ and 12.32 GPa, respectively, were obtained at a sintering temperature of 1350°C.
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