3Y-TZP/WC 복합체의 소결 방식에 따른 특성비교
Comparison of Properties with Different Sintering Process of 3Y-TZP/WC Composites
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Abstract
3Y-TZP ceramics obtained by doping 3 mol.% of Y2O3 to ZrO2 to stabilize the phase transition are widely used in the engineering ceramic industry due to their excellent mechanical properties such as high strength, fracture toughness, and wear resistance. An additional increase in mechanical properties is possible by manufacturing a composite in which a high-hardness material such as oxide or carbide is added to the 3Y-TZP matrix. In this study, composite powder was prepared by dispersing a designated percentage of WC in the 3Y-TZP matrix, and the results were compared after manufacturing the composite using the different processes of spark plasma sintering and HP. The difference between the densification behavior and porosity with the process mechanism was investigated. The correlation between the process conditions and phase formation was examined based on the crystalline phase formation behavior. Changes to the microstructure according to the process conditions were compared using field-emission scanning electron microscopy. The toughness-strengthening mechanism of the composite with densification and phase formation was also investigated.
1. 서 론
지르코니아(ZrO2) 세라믹스는 높은 강도, 파괴인성, 내마 모성 등의 우수한 기계적 특성으로 인해 엔지니어링 세라 믹 산업 분야에서 널리 사용된다. 하지만 세라믹스 특유의 취성 파괴와 더불어, 무확산 변태(martensite transformation) 에 의한 정방정-단사정계(tetragonal-monoclinic, T-M) 상전 이 거동의 특징으로 인하여 일부 사용처에서 사용이 제한되 기도 한다[1-3]. 이러한 상전이 거동을 Y2O3, CeO2, CaO, MgO 등의 금속 산화물을 일정분율 혼합하여 안정화제로 사용함으로써 부분적으로 상전이를 안정화 할 수 있다[4-6].
3mol.% Y2O3를 ZrO2에 첨가하여 안정화한 3Y-TZP (3mol.% Y2O3-Tetragonal Zirconia Polycrystal) 기지(matrix) 에 WC[7], Al2O3[8], TiC[9], SiC[10] 등의 고경도 세라믹 분산입자를 첨가한 복합체 제조를 통하여 기계적인 물성 을 추가로 상승시키기 위한 선행 연구들이 진행되어 있다. 3Y-TZP 기반의 복합체들은 기계적 물성을 강화하기 위해 고밀도화가 요구되고, 그로 인하여 높은 소결온도가 요구 된다. 하지만 1400°C 이상의 고온에서 소결시 3Y-TZP의 T-M 상전이가 더 쉽게 촉진되기 때문에 소결온도의 저감 이 요구된다[11]. 소결체의 소결온도 저감과 고밀도화 촉 진을 위해 공정중에 가압을 실시하는 고온가압소결(Hot- pressing, HP)이나 방전플라즈마소결(Spark plasma sintering, SPS) 공정을 통한 연구들이 활발히 진행되고 있다[12,13].
HP 공정은 분말을 소결할 때 고온에서 가하는 기계적 압력을 통해 입성장에 대한 구동력증가 없이 분말 입자간 의 결합을 촉진시켜 기공율을 낮추고 상압소결보다 빠른 치밀화에 대한 구동력을 높일 수 있다[14]. 치밀화와 함께 저감된 공정시간은 원료 분말이 고온에 노출되는 시간이 짧아져 고온열화(High temperature degradation)를 줄이고, 결정립성장을 억제해 결정립 조대화를 막아 기계적 물성 을 향상할 수 있다.
SPS 공정도 마찬가지로 소결중에 기계적인 가압에 의해 추가되는 치밀화 구동력으로 인하여 결정립 성장의 구동력 증가 없이 추가적인 치밀화가 이루어진다. 또한 몰드에 가 해지는 직류 펄스를 통한 분말입자의 직접적인 가열로 입 자간의 치밀화 구동력을 추가로 증가시켜 일반적인 소결 방법에 비해 치밀화가 용이하다. 또한 간접 가열 방식의 다 른 소결로 보다 직접 가열 방식으로 빠른 가열과 냉각이 가능하여 소결 분말의 고온 노출 시간을 줄여 결정립 성장 의 구동력을 낮추고, 공정시간 저감의 효과가 있다[15].
본 연구에서는 3Y-TZP기지에 WC를 일정 분율 분산시 켜 복합체 분말을 제조하고, 서로 다른 공정으로 복합체 제조를 통해 SPS 공정과 HP 공정의 차이를 상형성 거동, 치밀화 거동, 기계적 특성을 통해 비교하고자 한다.
2. 실험 방법
3Y-TZP 분말(average particle size: 0.28 μm, KZ-3YF type C, KCM Corp., Japan), WC 분말(average particle size: 0.51 μm, WC05CR, TaeguTec, Korea)를 4가지 조성의 원 료 분말로 사용한다. 그림 1에 원료 분말의 형상이 나타나 있다. (a) 3Y-TZP 분말과 (b) WC 분말 모두 서브마이크론 수준의 입도를 보이고 있다. 해당 분말을 원료로 하는 YW-1, YW-2, YW-3, YW-4 총 4가지의 조성은 3Y-TZP 기지내에 WC를 각각 10, 20, 30, 40 부피 분율(Volume fraction) 만큼 분산시켜 제조한다. 모든 조성은 무수 에탄 올 용매에서 10 Φ ZrO2 볼과 함께 24시간 동안 습식 볼 밀 공정을 통해 혼합된다. 이후 가열교반기에서 혼합 건조 공정을 거친 후 53 μm(270 mesh) 수준으로 재조립되었다. 각 조성의 무게 함량은 표 1에 나타나 있다.
SEM micrographs of raw powder. (a) 3Y-TZP raw powder and (b) WC raw powder.
Batch compositions used in this study
각 조성의 혼합 분말은 각각 방전 플라즈마 소결로 (Spark Plasma Sintering, SPS)와 고온 가압 소결로(Hotpressing, HP)를 통하여 소결되었다. 방전 플라즈마 소결은 공정온도 1300°C까지 승온속도 100°C/min로 가열되었으 며, 30 MPa 압력과 진공 분위기 하에서 15분 동안 소결되 었다. 고온 가압 소결은 공정온도 1400°C까지 승온속도 5°C/min로 가열되었으며 마찬가지로 30MPa의 압력과 진 공 분위기 하에서 6 0분 동안 소결되었다. 두 공정조건을 비교하여 표 2에 나타내었다. 두 공정의 모식도는 그림 2 에 나타내었다.
Sintering conditions of each process
Schematics of sintering process of SPS and HP.
제조된 소결체의 상 형성 거동, 미세구조, 기공도, 기계 적 물성 분석을 위해 표면연마를 진행하였다. 모든 소결체 의 표면은 에탄올 기반의 다이아몬드 연마제를 사용하여 1 μm 수준으로 연마되었다.
상 형성 거동은 X-선 회절 분석기(X-ray diffractometer, D/MAX-2500-PC, Rigaku Corp., Japan)를 통하여 분석하 였다. 결정구조는 소결체의 연마된 표면에서 벌크 상태로 측정되었으며, 10~70° 범위로 10°/min 속도로 측정하였다. 연마된 표면의 미세구조는 전계방출형 주사 전자 현미경 (FE-SEM, JSM-7610F+, JEOL Ltd, Japan)을 통해 평가되 었다. 소결체의 기공도는 광학 현미경(Optical microscopy, ZEISS Axiolab 5, Carl Zeiss A.G., Germany)를 통해 측정 된 표면 미세구조를 ImageJ 프로그램을 통하여 미세구조 면적에 나타난 기공의 면적% 측정을 통해 계산하였다.
기계적인 물성은 비커스 경도와 파괴인성을 통해 측정 되었다. 비커스 경도 시험기(HV-114, Mitutoyo Corp., Japan) 을 이용한 표준시험 방법(ASTM E 92)에 따라 시험하중 20 kgf로 15초 동안 압입 하였으며, 총 5회 값의 평균을 내 어 측정하였다. 파괴인성은 ISO 1 46 27에 따라 비커스 경 도 측정 압입자에 의한 균열을 측정하는 압자압입법 (Indentation fracture method, IF)을 이용하여 균열의 길이 를 측정하였고, 총 5회측정의 평균값을 계산하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 치밀화 거동 비교
그림 3에 나타난 기공도 결과는 SPS와 HP 두 소결 공 정 모두 유사한 경향을 보인다. 난소결성 WC 분말 함량 이 가장 낮은 YW-1 조성에서 WC의 함량이 높아지는 YW-4 조성으로 이동할수록 기공도가 높아진다. SPS 공정 의 경우에는 YW-1 조성에서 YW-4 조성으로 이동할수록 기공도가 높아지지만 근소한 차이를 보이며 모든 조성에 서 낮은 수준의 기공도를 지니는 것을 확인하였다. HP 공 정은 SPS 공정과 달리 WC 함량이 높아질수록 큰 수준으 로 기공도가 증가하는 결과를 확인하였다.
Porosity comparison of sintered samples.
SPS 공정은 HP 공정에 비해 더 낮은 온도에서 짧은 공 정시간 동안 치밀화되었다. 그럼에도 불구하고 SPS 공정 의 기공도가 더 낮은 이유는 두 공정의 서로 다른 치밀화 거동 차이에서 기인한다. 그림 2의 SPS 공정 모식도에서 확인 가능한 치밀화기구(densification mechanism)는 총 세 가지가 있다. 첫번째로 직류 펄스 전류에 의한 흑연 몰드 의 직접적인 가열 방식이다. 발열체를 통한 간접적인 가열 이 아닌 흑연 몰드에 전류를 가해 저항에 의한 열을 발생 시켜 직접적으로 몰드를 가열하기 때문에 열전달이 빠르 고 그로 인하여 치밀화를 촉진하는 기구로 작용한다. 두번 째로는 공정 간에 가해지는 1축압력에 의한 가압이다. 고 온에서 가해지는 직접적인 가압은 분말 입자의 결합 구동 력을 증가시켜 치밀화를 촉진한다. 외부에서 가해지는 압 력으로 짧은 공정시간과 비교적 낮은 열처리 온도를 요구 하므로 입성장 구동을 줄이면서 치밀화를 촉진할 수 있다 [14]. 세번째는 줄열(Joule heating)에 의한 분말 입자의 결 합 구동력 상승이다. 흑연 몰드에 직접적으로 방전된 직류 전류가 전기전도성 분말 입자를 통과하며 입자 사이에서 줄열을 발생시킨다[15]. 줄열은 입자의 불순물을 제거하며 입자간 계면의 물질 이동을 촉진시키고, 결합 구동력을 증 가시키게 된다.
HP 공정의 두가지 치밀화 기구는 그림 2의 HP 공정 모 식도에 나타나 있다. HP 공정은 흑연 발열체에 전류를 가 해 저항과 열을 발생시키고, 그 열을 이용하여 간접적으로 시료를 가열하여 소결을 진행한다. 또한 SPS 공정과 마찬 가지로 공정간에 1축압력을 가해 치밀화 구동력을 증가시 킨다. 이러한 치밀화 기구의 차이로 인하여 두 공정의 기 공도 결과가 다르게 나타나게 된다. HP 공정은 SPS 공정 과 비교하여 간접 가열 방식으로 인한 낮은 열효율과, 분 말에 직접적으로 가해지는 줄열의 부재로 인해 낮은 수준 의 치밀화 구동력을 가지고 있다고 판단되고, 그로 인해 더 높은 온도와 긴 공정시간에도 높은 기공도를 갖게 된다.
그림 4는 각 공정의 조성별 소결체의 SEM 미세구조 사 진이다. 그림 4 (e)에 보이는 표시처럼 어두운 콘트라스트 (dark contrast)는 3Y-TZP 기지이며, 밝은 콘트라스트 (bright contrast)는 분산된 WC 입자를 나타낸다. SPS 공정 의 조성별 미세구조인 그림 4 (a)~(d)와 HP 공정의 조성 별 미세구조인 그림 4 (e)~(h)는 비슷한 수준의 WC 입자 분산정도를 보이고 있다. 그림 4 (f)~(h)에서 강조된 부분 은 기공을 나타낸다. 같은 조성에서 SPS 공정의 미세구조 보다 HP 공정의 미세구조에서 더 많은 기공이 관찰됨을 확인할 수 있다. 또한 HP 공정에서는 WC 함량이 높아질 수록 더 크고 많은 기공이 관찰되고 있다. 이는 그림 3에 나타난 기공도와 일치하는 경향을 확인하였다.
SEM micrographs of sintered samples. (a) SPS sample of YW-1 composition, (b) SPS sample of YW-2 composition, (c) SPS sample of YW-3 composition, (d) SPS sample of YW-4 composition, (e) HP sample of YW-1 composition, (f) HP sample of YW-2 composition, (g) HP sample of YW-3 composition and (h) HP sample of YW-4 composition.
3.2 상형성 거동 비교
그림 5는 네 조성의 혼합 분말의 X-선 회절(XRD) 분석 결과이다. 습식 혼합 및 건조 공정을 거친 후 따로 열처리 하지 않은 혼합분말에서는 정방정(tetragonal)과 단사정 (monoclinic)의 3Y-TZP, 육방정(hexagonal)의 WC의 혼합 된 결정구조가 관찰된다. 그림 6 , 7에 나타난 소결체의 X- 선 회절 분석 결과와 비교하여 단사정 상의 피크 강도 (peak intensity)가 높게 나타난다. 3Y-TZP 분말의 정방정 계 결정화도(tetragonality)는 하소(calcination)공정에서 열 처리에 의해 증가하게 된다[16]. 이로 인하여 열처리되지 않은 분말의 정방정 결정상의 피크 강도가 낮게 확인되고, 단사정 결정상의 피크 강도가 높게 관찰된다. 이로 인해 SPS, HP 공정 중에 열처리가 진행된 소결체에서는 단사 정 결정상의 피크 강도가 낮아지게 된다.
XRD peak patterns of mixture powder.
(a) XRD peak patterns of SPS samples and (b) detailed peak of cubic zirconia peak range (2θ=34°~37°, 48°~51°, 57°~62°).
XRD peak patterns of HP samples.
그림 6 ( a)는 네 조성의 SPS 소결체의 X-선 회절 분석 결과이다. YW-1 조성에서 YW-4조성으로 이동할수록 WC 함량이 높아짐에 따라 WC의 피크 강도가 증가하고 ZrO2계 피크 강도는 감소하는 모습을 확인할 수 있다. 또 한 모든 조성에서 3Y-TZP와 입방정(cubic)상이 공존하여 나타나고 있다. 1300°C의 비교적 저온에서 총 공정시간 60분 정도로 빠르게 소결된 SPS 소결체는 ZrO2의 전형적 인 T-M 상전이 거동을 보이지 않고, 입방정 결정상과 정 방정 결정상이 공존하는 것으로 확인된다. 이는 상전이기 구(transformation mechanism)상에서 이트륨이 풍부한 입 방정 결정상이 형성되어 정방정 결정상의 이트륨 함량을 저하시키고, 소결온도에서 열화(degradation)되며 이로 인 해 정방정 결정상의 T-M 상전이를 촉진하는 결과를 나타 낸다. 하지만 15분의 짧은 공정 시간으로 인하여 충분한 열화 현상이 일어나지 않아, 단사정 결정상으로의 전이가 일어나지 않고 정방정 결정상과 입방정 결정상이 잔존한 것으로 사료된다[16,17].
3Y-TZP와 ZrO2(c) 상의 X-선 회절 분석 패턴은 유사한 위치를 갖는다. 그림 6 (b)는 유사한 패턴을 갖는 2θ 위치 인 34°~37°, 48°~51°, 57°~62°에 대하여 집중적인 분석 결 과이다. 34°~37° 2θ 범위와, 48°~51° 2θ 범위의 X-선 회절 분석 패턴은 네 조성 모두 정방정 결정상과 입방정 결정 상이 공존하지만, YW-1 조성에서 정방정 결정상이 조금 더 관찰되는 현상을 보인다. 반면에 5 7°~6 2° 2 θ 범위의 X-선 회절 분석 패턴에서는 두줄의 정방정 결정상의 피크 가 관찰된다.
또한 YW-1 조성의 시편에서는 공정 중에 3Y-TZP와 WC가 반응하여 ZrC와 W2C 상을 형성하였다. 해당 반응 에 대한 식은 아래 식 (1)에 나타나 있다.
그림 7은 네 조성의 HP 소결체의 XRD 분석 결과이다. 그림 6 (a)와 마찬가지로 YW-1 조성에서 YW-4조성으로 이동할수록 WC의 피크 강도가 증가하고 ZrO2계 피크 강 도는 감소하는 모습을 확인할 수 있다. 또한 그림 6(a) 와 달리 모든 조성에서 단사정 결정상의 ZrO2가 발견되었다. 이는 SPS에 비하여 긴 공정시간과 높은 온도의 공정조건 에 의해 T-M 상전이가 유도된 결과로 보인다. 또한 가열- 유지-냉각의 공정이 6 0 분정도로 완료되는 SPS에 비해 HP는 공정온도에 노출되고 냉각되는 시간이 총 6 40 분정 도로 길기 때문에 열화가 충분히 일어나게 되어 단사정 결정상이 확인되었다[18].
3.3 기계적 특성 비교.
SPS 소결체와 HP 소결체의 기계적 물성을 그림 8에 나 타내었다. 측정된 SPS 소결체와 HP 소결체의 비커스 경 도는 6.3~15.2 GPa 범위로 측정되었고, 파괴인성은 6.5~ 10.2 MPa·m1/2 범위로 측정되었다. 비커스 경도는 SPS 소 결체의 YW-2 조성에서 15.2 GPa으로 가장 높은 값을 보 였고, 파괴인성은 SPS 소결체와 HP 소결체의 동일한 YW-4 조성에서 10.2MPa·m1/2으로 가장 높게 나타났다.
Mechanical properties of sintered samples. (a) Vickers hardness and fracture toughness of SPS samples. (b) Vickers hardness and fracture toughness of HP samples.
그림 8 (a)에 나타난 SPS 소결체의 기계적 물성은 YW- 1 조성을 제외한 나머지 세 조성에서 일정한 경향성을 보 인다. WC의 부피 분율이 높아지는 YW-4 조성으로 이동 할 수록 경도는 저하하고, 파괴인성은 증가하는 경향이 나 타난다. WC 부피 분율의 증가에 따른 경도 저하는 소결 체의 치밀화와 상관 관계가 있다. 소결체의 경도는 일반적 으로 밀도가 높아짐에 따라 증가한다[14]. 본 연구에서 제 작된 소결체들의 소결밀도는 그림 3의 기공도를 통해 유 추할 수 있다. 분말의 치밀화 과정 중에 기공이 치밀화 되 며 소결 밀도가 높아지고, 낮은 기공도를 갖게 된다. 즉 기 공도가 낮은 소결체가 높은 소결 밀도를 갖게 된다. 따라 서 SPS 소결체는 YW-1 조성을 제외하면 YW-2 조성의 소결 밀도가 가장 높고, 이로 인해 가장 높은 경도를 갖게 된다. 따라서 기공도가 증가하고, 소결밀도가 낮아지는 YW-4 조성으로 이동할수록 경도가 저하하는 결과를 확인 할 수 있다.
SPS 소결체의 파괴인성은 WC 부피 분율의 증가와 상 관 관계가 있다. 3Y-TZP 기지와 WC 입자는 서로 다른 열 팽창계수를 가지고 있다. 3Y-TZP의 열팽창계수는 11.0 × 10-6/K이며, WC의 열팽창계수는 5.2 × 10-6/K 로 5.8 × 10-6/ K의 차이가 있다[7]. 열팽창계수 차이는 고온의 공정에서 소결된 후 냉각되는 과정에서 3Y-TZP 기지와 WC 입자 사이에 압축응력을 가하게 된다. 이로 인해 소결체 내에 잔류응력이 남게 되고 이는 파괴인성의 증진기구로 작용 하게 된다[19]. 따라서 WC 부피 분율이 높아질수록 잔류 응력이 더 많이 남게 되고 이는 파괴인성을 증가시키는 결과를 보인다. 따라서 YW-4 조성의 소결체에서 가장 높 은 파괴인성을 갖게 된다.
SPS 공정의 YW-1 조성의 소결체는 YW-2, YW-3, YW-4 조성의 소결체와는 다른 경향을 보이고 있다. YW-2, YW-3 조성의 소결체보다 기공도가 낮음에도 낮은 경도 결과를 갖는다. 또한 YW-2 조성보다 WC 부피 분율이 낮 은 조성임에도 더 높은 파괴인성을 갖는다. 이는 그림 6 (a)의 X-선 회절 분석 결과에 기인한다. YW-1 조성은 다 른 조성과 다르게 WC 상이 W2C 상으로 식 (1)의 반응에 따라 반응되었다. W2C 상은 WC 상보다 일반적으로 낮은 경도를 갖는다[20]. 이로 인해 3Y-TZP 기지에서 전반적으 로 경도가 낮은 W2C 상이 합성된 YW-1 조성의 SPS 소 결체는 낮은 기공도에도 불구하고 낮은 경도를 갖게 된다. 반면에 YW-1 조성의 SPS 소결체는 식 (1)의 반응으로 ZrC 상과 W2C 상이 합성되어 총 4개의 서로 다른 결정상 을 갖게 되었다. 4개의 상은 모두 다른 열팽창계수를 가지 며, 이로 인해 더 많은 잔류응력에 의한 파괴인성 강화기 구를 가지게 된다. 따라서 WC 부피 분율이 상대적으로 낮음에도 YW-2 조성의 SPS 소결체보다 비교적 높은 파 괴인성을 갖게 된다.
그림 8 (b)에 나타난 HP 소결체의 기계적 물성 또한 SPS 소결체와 같은 경향성을 가지는 결과를 보인다. YW- 1 조성에서 YW-4 조성으로 이동하며 기공도의 증가로 인 해 소결밀도가 낮아지게 되고, 낮은 경도를 갖는다. 파괴 인성은 반대로 WC 부피 분율 증가에 따라 높아지는 경향 을 보인다.
그림 3의 기공도 결과에 따라 HP 공정의 소결체는 SPS 공정의 소결체보다 높은 기공도를 갖는다. 이로 인해 그림 8에서 SPS 소결체와 HP 소결체의 경도를 비교했을 때 같 은 조성에서도 HP 소결체가 높은 기공도로 인해 더 낮은 경도를 갖는 결과를 보인다. YW-1 조성의 SPS 소결체가 HP 소결체보다 낮은 경도를 갖는 이유는 마찬가지로 W2C 상 합성으로 인한 결과이며 파괴인성이 더 높은 이 유도 이에 기인한다.
3Y-TZP 기지 내에 단사정 결정상 지르코니아의 함량이 높아짐에 따라 소결체의 파괴인성은 증가하게 된다[21]. 정방정 결정상에 비해 격자 부피가 큰 단사정 결정상은 상전이를 용이하게 하는 잔존인장응력을 증가시키게 된 다[22]. 3Y-TZP 세라믹은 균열이 전파될 때 응력에 의한 T-M 상전이가 발생된다. 3Y-TZP 기지에서 격자 부피가 큰 단사정 결정상으로 상전이되며 부피팽창으로 인하여 균열의 전파를 막는 상전이 인성강화 기구로(transformation toughening mechanism)인하여 높은 파괴인성을 갖게 된다. 그림 6 ( a)에서 SPS 소결체는 모든 조성에서 단사정 결정 상의 지르코니아의 피크가 보이지 않고 있다. 반면에 그림 7에서 HP 소결체는 모든 조성에서 단사정 결정상의 지르 코니아 피크가 확인된다. 단사정 결정상의 지르코니아로 인해 HP 소결체는 SPS 소결체보다 높은 상전이도를 갖게 된다. 따라서 응력에 의한 상전이도가 더 높은 HP 소결체 가 더 쉽게 T-M 상전이를 일으키며 비커스 압입에 의한 균열의 전파를 막게 된다. 그림 8에 나타난 SPS 소결체와 HP 소결체의 파괴인성 측정 결과를 통해 확인할 수 있다. 상전이도가 높은 HP 소결체는 SPS 소결체보다 더 높은 수준의 파괴인성을 갖는다. 이는 기공도 차이로 인해 더 높은 경도를 갖는 SPS 소결체보다 낮은 경도임에도 불구 하고 HP 소결체가 높은 파괴인성을 나타내는 결과를 확 인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 3Y-TZP와 WC 분말을 일정 부피 분율로 혼합하여 만든 분말로 각각 SPS 공정과 HP 공정으로 소 결을 진행하고, 다른 공정 조건의 소결체가 갖는 특성을 비교하였다. 서로 다른 공정 유지 시간과 온도에 따라서 SPS 소결체와 HP 소결체는 같은 조성에도 다른 상형성 거동을 보였다. 이는 SPS 공정에 비해 공정시간이 긴 HP 공정에서 단사정계 ZrO2 상이 형성되었고, 지르코니아 저 온 열화 현상에 의한 결과임을 확인하였다. 또한 서로 다 른 공정상의 치밀화 거동에 따라 SPS 공정은 더 높은 공 정온도와 공정시간을 갖는 HP 공정에 비해 낮은 기공도 를 갖는 소결체가 제작되었다. 소결체의 비커스 경도는 같 은 조성 내에서도 SPS 공정 소결체가 더 높은 경도를 나 타냈고 이는 소결체의 치밀화 정도에 기인함을 확인하였 다. 소결체의 파괴인성은 열팽창계수 차이에 의한 압축응 력이 잔류응력으로 남아 파괴인성 증진 기구로 작용하였 기 때문에 WC 첨가 분율이 높아질수록 각 공정 결과 내 에서 증가하는 경향을 확인하였다. SPS 공정보다 HP 공 정의 파괴인성이 더 높게 나타난 이유는 단사정 결정상의 지르코니아로 인한 상전이도 증가와 이에 따른 상전이 강 화 기구 증가를 통한 결과임을 고찰하였다.
감사의 말
본 연구는 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업의 30 μm급 비드밀용 고인성 세라믹 부품 개발(과제번호: 20011007)의 연구비 지원으로 수행되었으며 이에 감사드 립니다.
