소결조제(sintering additive, sintering aid)

소결조제란 무엇인가?

 

소결조제란, 소결과정에서 소결체의 미세조직이나 물성의 향상 또는 소결공정 조건(온도, 압력 등)의 변화를 목적으로 의도적으로 소량 첨가하는 기능성 물질을 의미합니다. 같은 원료물질을 사용한다고 해도 그 목적에 따라 다양한 소결조제가 존재합니다.

 

소결과정 중에는 소결체의 수축, 입자 성장, 액상의 발생 등 다양한 현상이 일어나는데 이러한 현상들은 소결 중 첨가하는 소결조제의 영향을 크게 받습니다. 이러한 이유로 적절한 소결조제의 선택은 소결체의 물성 뿐 아니라 공정설계에 매우 중요한 역할을 합니다.

 

소결조제의 예

 

알루미나(Al₂O₃)의 경우 전기전도도가 매우 낮고 경도가 높아 절연체로 널리 사용되는 물질입니다. 하지만 알루미나의 경우 녹는점이 2072˚C로 소결이 쉽지 않은 물질입니다. 하지만 여기에 미량의 산화마그네슘(MgO)를 첨가하게 되면 훨씬 낮은 온도에서도 소결이 가능하며 미량의 TiO₂를 넣으면 전기 전도도를 높일 수 있습니다. 또 알루미나에 SiO₂를 첨가하면 기공도를 감소시킬 수 있고 Y₂O₃를 첨가하면 기계적 강도를 증가시킬 수도 있습니다.

또 다른 예로, 탄화텅스텐(WC)과 같이 녹는점이 2500˚C 이상으로 지나치게 높거나 탄화규소(SiC)와 같이 액체상이 존재하지 않고 바로 승화하는 물질들은 일반적인 조건에서 소결하기가 매우 어렵습니다. 이러한 난소결성 재료의 경우 소결조제를 첨가하여 액상소결공정을 진행하는 일반적입니다.

 

탄화텅스텐의 경우에는 코발트(Co)나 철(Fe), 니켈(Ni)과 같은 금속물질이 소결조제로 사용되며 탄화규소의 경우 산화마그네슘(MgO), 산화이트륨(Y₂O₃)등과 같은 금속산화물이 소결조제로 사용합니다. 여기서 소결조제는 원재료 물질과 공융점을 형성해 원재료 물질의 녹는점 아래에서 액체상을 형성하며 물질이동을 원할하게 돕습니다.

 

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