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3Y-TZP란?

3Y-TZP란 3mol%Y
2O3-Tetragonal Zirconia Polycrystal의 준말이다.
지르코늄(Zr)은 주기율표 상에서 티탄족에 속하는 제5주기의 전이금속으로 산과 알칼리에 극히 높은 내식성을 갖는 원소이다. 이러한 Zr의 산화물이 '산화지르코늄'이며 통상 '지르코니아'라고 한다.
지르코니아는 아래와 같은 3가지의 동질다형체(同質多形體)로 존재한다.
 



이러한 지르코니아에 Y
2O3, CeO 등과 같은 산화물을 일정비율로 혼합하면 상온에서도 안정한 Tetragonal 및 Cubic phase의 지르코니아를 얻을 수 있으며, 특히 Tetragonal phase를 갖는 것을 부분안정화 지르코니아, Cubic phase를 갖는 것을 완전안정화 지르코니아라 한다.
3Y-TZP는 3mol% Y
2O3를 이용한 부분안정화 지르코니아(PSZ ; Partially Stablized Zirconia)로서 고강도성, 열안정성, 고내식성 등 탁월한 특성 때문에 산업 전반의 많은 분야에 널리 사용되어진다.

GRAIN SIZE(소결격자 크기)와 THEMAL STABILITY(열안정)과의 관계

GRAIN SIZE는 3Y-TZP 제품의 물성에 중대한 영향을 주는데, 특히 완성된 지르코니아 제품들이 통상적으로 사용되어지는 150℃∼300℃의 저온 열화영역에서의 물질 특성이 중요하다. 아래 그림은 230℃ aging 상태에서의 시간 경과에 따른 단사정(monoclinic phase) 증가 추이를 나타내고 있다. GRAIN SIZE가 적을수록 특성이 좋다는 것을 알수가 있는데, 0.2㎛나 0.4㎛ 에 비하여 현재 국내에 널리 사용되고 있는 1.0㎛ 이상의 GRAIN SIZE에서는 급격히 단사정(monoclinic phase)이 증가하고 있는 것을 알수 있다.
이러한 결과는 1.0㎛ 이상의 GRAIN SIZE를 갖는 제품의 수명이 0.2㎛ 수준의 GRAIN SIZE 제품에 비하여 사용제품의 수명이 매우 짧아진다는 것을 의미한다.


 

RELATION BETWEEN GRAIN SIZE AND AGING TIME AT 230℃

 

 

자료출처 : K. Tsukuma, Y.Kubota, and T. Tsukidate, Themal and Mechanical Properties of Y2O3-Stabilized Tetragonal Ziconia Polycrystals

곡강도(bending strength)의 경우에도 상온에서는 오히려 1.0㎛ 이상의 GRAIN SIZE 제품이 특성이 우수한 것으로 관찰될 수도 있지만 230℃ aging 상태에서는 0.2㎛ 또는 0.4㎛ 제품에 비하여 급격히 강도가 약해지는 것을 알 수 있다.
 

하소온도와 저온 열처리에 의한 정방정 → 단사정 상전이와의 관계

지르코니아의 소결온도는 높을수록 좋은가? 그렇지 않다. 경우에 따라서는 소결온도를 높혀서 지르코니아 세라믹 소결체의 물성이 많이 나빠질 수도 있다.
 이 문제를 공부하기 전에 먼저 3Y-TZP의 특성 중 저온열화거동에 대하여 알아 둘 필요가 있다. 이트리아를 이용하여 정방정상으로 부분 안정화시킨 3Y-TZP는 세라믹스 재료 중 가장 높은 인성을 갖고 있기 때문에 기계 구조용 재료로 각광을 받아 왔으나 저온(150℃∼300℃)에서의 저온열화거동 때문에 사용영역이 크게 제한되어 왔다.

Relationship between aging temperature and bending strength of Y-TZP ceramics

저온열화거동? 은 지르코니아가 150℃∼300℃ 온도 범위에서 준 안정상인 정방정이 안정상인 단사정상으로 자발적인 상전이를 일으키며 부피 팽창으로 균열이 발생하는 현상이다.
위의 그림을 보면 150-300℃ 영역에서 지르코니아의 곡강도가 급격히 나빠진다는 것을 알수 있다.
그렇다면 저온열화거동을 방지할 수 있는 방법은 무엇인가? 여러 가지 해결책이 있을 수 있겠지만 그 한가지로 소결온도와 상전이률과의 관계를 들 수 있다.
3Y-TZP의 하소분말을 수증기 분위기에서 저온 열화영역인 250℃로 열처리하면서 단사정상의 증가량을 관찰한 자료는 아래 그림과 같다.
 

Increase of monoclinic phase during aging at 250℃ in water

자료출처 : J.K. Lee, Isothemal phase Transformation and its Related Crack Formation Behaviors by Low Temperature Aging in Yittria Stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystals

그림에서 보면1300℃로 하소한 분말에서는 상전이가 일어나지 않는 것을 알수 있고, 1400℃로 하소한 분말에서부터 상전이가 일어나 1500℃에서 최대값을 나타내고 있으며, 1500℃ 이상에서는 하소 시간이 증가할수록 상전이량이 감소하였다. 1500℃에서 4시간 이상 하소한 분말에서는 2시간 하소한 분말에 비하여 상전이 속도가 느릴 뿐 아니라 전이된 단사정상의 양도 감소하였다. 이는 고온에서의 하소로 인하여 입방정상이 생성되었기 때문에 나타난 결과로 보인다.
위 자료에서 알 수 있는 것은 최적의 소결 온도를 벗어나서 1400℃ 이상의 고온 영역에서 소결할 경우 저온열화영역에서 단사정상의 급격한 증가를 초래할 수 있으며, 결과적으로 소결체의 물성이 급격히 나빠질 수 있음을 의미한다. 이러한 이유 때문에 3Y-TZP 제조사들이 1400℃이하의 저온 영역에서 소결이 가능한 초미분 개발하기 위하여 노력하고 있다고 봐야할 것이다. 그러나 이러한 노력도 단순히 소결 온도만 낮추기 위하여 소결온도 저감제와 같은 무기 첨가물 혼합하여 지르코니아 제품의 기계적·열적 물성을 회손시켜서는 바람직한 개선이라고 할 수는 없을 것이다.

 

소결온도와 GRAIN SIZE(소결격자 크기)와의 관계

(a)

(b)

(c)

(d)

Micrographs of materials prepared from a 2.0wt% Y2O3 coated ZrO2 Powder
starting powder, (a) and themally etched Y-TZP ceramics, hot pressed 1400℃ (b)1450℃ (c) and 1500℃ (d)

자료출처 : J. Vleugels, Z.X. Yuan, O. Van Der Biest
Mechanical properties of Y
2O3/Al2O3-coated Y-TZP ceramics

위의 그림들은 2.0wt% Y-TZP의 소결 온도에 따른 입자 성장 상태를 보여주고 있다. 그림에서 보여지는 바와 같이 실험에 사용된 원료 분말을 1400℃에서 소결한 경우에는 GRAIN SIZE가 0.5㎛ 이하이지만 1500℃ 소결체의 GRAIN SIZE는 1.0㎛ 이상인 것을 알 수 있다.

주)에이엠에스가 제조하는 3Y-TZP 제품은 1350℃에서 소결되며 GRAIN SIZE가 0.2㎛ 이하이다.
 

주)에이엠에스 3Y-TZP 소결체 파단면 SEM 사진

일본산 제품 소결체 파단면 SEM 사진


※ 위그림들을 클릭하시면 보다 상세한 그림을 보실 수 있습니다.

 


 

 

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